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“一分为二” —— 高性能过渡金属磷化物双面活性水裂解电极

化石能源的耗竭以及化石能源消耗带来的环境污染及气候变化已经成为人类社会发展面临的巨大挑战。2015年联合国巴黎气候大会通过了历史性的协议,承诺控制温室效应气体的排放,以确保从现在开始到2100年的全球气温上升不得超过1摄氏度。这意味着在未来的数十年里,人类消耗能源的方式将深刻改变,可再生清洁能源必将成为能源供应的主流。虽然以太阳能、风能为代表的可再生能源在部分国家和地区已经得到规模化应用,但其在全球范围更大规模的应用却存在瓶颈:太阳能及风能发电的间歇性(intermittency)以及电能供应与需求峰值的不一致性要求太阳能电站或风能发电站必须配有大规模的能源存储装置。

目前,很多研究人员正在探索将获得的可再生能源通过水裂解的方式转化为可存储、派发(dispatchable)的化学燃料 – 氢气。一种被广泛讨论的方案是:在可再生能源供过于求的情况下将多余的能源转化成氢气和氧气存储起来(“一分为二”),然后在能源需求高峰时通过氢-氧燃料电池将储存的能源释放出来(“合二为一”)。预期这种方案对分布式(decentralized)的能源存储非常有效。

作为较成熟的技术,水裂解制氢因其高昂的成本以及对贵金属催化剂的极大需求一直未得到大规模应用。为了降低水裂解制氢成本、减少贵金属催化剂的使用,近年来研究人员投入了很大精力研发高效、廉价的过渡金属催化剂。自2013年起,过渡金属磷化物如磷化镍、磷化钴和磷化铁引起了研究人员的极大关注。实验表明,过渡金属磷化物对电化学产氢反应(hydrogen evolution reaction)在很宽的pH范围内都展示了较高的催化活性,其性能与铂基催化剂可比。近期的实验也证实,过渡金属磷化物对电化学产氧反应(oxygen evolution reaction)也具有较高的催化活性。

“一分为二” —— 高性能过渡金属磷化物双面活性水裂解电极

伊比利亚国际纳米技术实验室(INL)刘利峰博士研究组一直致力于高效电化学催化剂的研究。他们近期发展了一种自支撑的具有双面活性的过渡金属磷化物电极,既可用于电化学制氢,又可用于电化学制氧。研究人员首先将镍电镀于酸处理过的碳纸电极表面,然后将镍包覆的碳纸放入红磷蒸汽中磷化。磷化处理过后,碳纤维表面产生了高密度的垂直生长的磷化镍纳米片。这一自支撑电极展示了良好的电化学制氢性能:其产生100mAcm-2的阴极流密度在酸性溶液中只需162毫伏的过电势,在碱性溶液中只需250毫伏过电势。同时,电极也显示了卓越的产氧性能:在过电势300毫伏时产氧的电流密度可高达50.4mAcm-2并且电极可在10mAcm-2时稳定产氧超过180小时。该研究组对产氧过程中电极的形貌、结构与成份的变化进行了仔细的表征,发现表层磷化物在这一过程转化成为氢氧化物。进一步地,他们利用电极的双面活性以两片相同的自支撑电极分别作为阴极和阳极构建了一个水裂解池,并发现这一裂解池的能量转化效率在10mAcm-2时可高达91%;同时裂解池可在10mAcm-2和20mAcm-2时稳定运行至少100小时。值得指出的是:使用自支撑的具有双面活性的电极可以简化水裂解池的设计,从而有可能进一步降低制氢成本。

本工作已经发表在Advanced Functional MaterialsDOI: 10.1002/adfm.201505509),并于当期的卷首(Frontispiece)做了简要介绍。

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“一分为二” —— 高性能过渡金属磷化物双面活性水裂解电极“一分为二” —— 高性能过渡金属磷化物双面活性水裂解电极

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