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自支撑Co3O4空心管阵列用于高效电解水反应

随着传统化石能源的快速消耗和与之造成的环境问题,发展可再生能源和高效能源转化存储设备成为应用技术和科研领域的关注重点。其中,电解水反应因其在获取氢能、开发金属空气电池和燃料电池的重要地位成为当前的研究热点。电解水涉及到两个半反应——析氧反应和析氢反应,分别需要使用到贵金属催化剂来达到可观的表观催化活性(例如IrO2/RuO2用于OERPt用于
HER)。然而贵金属催化剂价格高昂、资源稀缺且稳定性不足,极大地限制了其工业化应用需求。虽然过渡金属电催化剂研究取得了很大的进展,但仍然存在一些挑战。首先,为了提高电催化性能,需要对过渡金属掺杂改性或者与功能化的基底复合,该方法耗时复杂且活性提升有限;此外,常见的电催化剂通常以粉末形式存在,需要使用不导电的高分子粘结剂将其负载到导电基底上,粘结剂的使用不仅会覆盖活性位点,而且在大电流操作下催化剂会因气泡的快速析出而脱落。制备出自支撑空心纳米结构过渡金属催化剂为解决上述问题提供了可行方案。

自支撑Co3O4空心管阵列用于高效电解水反应

最近,澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授课题组报道了一种新颖简易的电化学辅助自模板法,制备得到高效的三维自支撑Co3O4空心管阵列电解水催化剂(a)。研究人员首先通过低温水热法将CoHPO4微米棒阵列生长到高导电的泡沫镍基底上,随后在强碱电解液中和恒电位处理下,将CoPO4微米棒转化成Co3O4分级空心管。一方面,稳定性较弱的磷酸盐在阳极氧化偏压会原位逐渐转变成Co3O4;另一方面,CoHPO4质子化特征加速了其溶解过程,保证了空心管结构的形成。最终得到Co3O4空心管结构的高比表面积增加了材料的活性面积,多孔管壁确保了快速传质过程,而且自支撑结构降低了电子转移阻抗,提高了电子迁移效率。用于催化产氧时,起始反应电位位1.52 V vs. RHETafel斜率达到84 mV dev-1,与IrO2/C相当;在析氢反应反面,虽然起始反应电位略高于商品化Pt/C催化剂,但是Tafel斜率为98 mV dec-1,明显低于Pt/C125 mV dec-1)。进一步用于全电解水反应时,达到10 mA cm-2所需的过电位为400 mV,与贵金属IrO2/CPt/C组合活性相当,但是稳定性更加突出,在连续操作12小时后仍未出现明显活性衰减(b)。

该工作不仅提供了具有工业化应用前景的高效电解水催化剂,并为设计其它高活性和高稳定性的电催化材料提供了新思路。


相关工作发表在Angew.Chem.Int. Ed. (DOI: 10.1002/anie.201610413),并被选为cover picture。原文链接如下,或直接点击最下方阅读原文

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201610413/full


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