【背景介紹】

受淡水資源的限制，海水被認為是水電解制氫的潛在原料。然而，海水中高濃度的氯離子會導致競爭性的析氯反應(ClER)，并對催化劑的嚴重腐蝕，使得電解水效率下降。因此，開發高效、穩定、耐氯的電催化劑對于電解海水至關重要。貴金屬催化劑雖活性優異，但高成本阻礙了其廣泛應用。因此，過渡金屬基材料被認為是理想的替代者。其中，氧元素具有高電負性，因此，過渡金屬氧化物表面的氧原子層在與過渡金屬成鍵時會導致成鍵的極化作用增強，進而形成富電子層。在此基礎上，通過增強這一富電子層，以增強其對氯離子的排斥作用和電解水的本征活性，對電解海水具有重要意義。

【內容簡介】

日前，中國海洋大學化學化工學院孟祥超教授課題組在Nano Energy上發表了題為“Fe-NiO/MoO2 and in-situ reconstructed Fe, Mo-NiOOH with enhanced negatively charges of oxygen atoms on the surface for salinity tolerance seawater splitting”的研究文章，作者采用電沉積和快速焦耳熱方法制備了一種耐腐蝕的Fe-NiO/MoO2雙功能催化劑，用于海水電解。其中，快速焦耳加熱法確保了催化劑在制備過程中的可控熱解還原和異質結構的穩定形成。針對高濃度氯離子干擾的挑戰，本研究制備的Fe-NiO/MoO2在析氧反應過程中原位重構為Fe, Mo-NiOOH，通過Fe和Mo的共摻雜，使得更多的電子轉移到Fe, Mo-NiOOH表面的氧原子層上，增強了對氯離子的排斥作用。實驗結果顯示，在堿性海水中，重構的Fe, Mo-NiOOH在1000 mA cm-2下的過電位為399 mV。當NaCl濃度提高至3 M時，Fe, Mo-NiOOH 在500 mA cm-2下的過電位僅增加約0.02 V。對于析氫反應，Fe-NiO/MoO2在1000 mA cm-2下的過電位為417 mV。當NaCl濃度提高至3 M時，Fe-NiO/MoO2的過電位在500 mA cm-2下的過電位幾乎不變。這項工作為開發高效耐鹽的海水裂解電催化劑提供了新的啟示。

【圖文速覽】

圖1 (a) Schematic illustration of the synthesis for Fe-NiO/MoO2. (b) Heating curves for the Joule heating method. (c) SEM image and EDS mapping, (d) XRD, (e-g) TEM images of Fe-NiO/MoO2.

圖2 (a) Schematic picture of AEM seawater electrolyzer. (b) LSV curves of the electrolyzer in alkaline seawater electrolyte and 1 M KOH electrolyte with 3 M NaCl. (c) The Volume of gas theoretically calculated and experimentally measured versus time. (d) Chronopotentiometry at 100?mA?cm?2 for overall water splitting in 1 M KOH electrolyte with 3 M NaCl.

【作者簡介】

孟祥超，男，中國海洋大學化學化工學院教授、博士生導師。本科畢業于中國海洋大學，碩士和博士畢業于加拿大渥太華大學。2019年加入中國海洋大學。主要研究方向：光電催化裂解海水制氫及新型光電催化反應器設計及開發。在光電催化領域發表學術論文60余篇。課題組網站：https://www.x-mol.com/groups/Meng_Xiangchao。