应用成果

【背景介绍】

受淡水资源的限制，海水被认为是水电解制氢的潜在原料。然而，海水中高浓度的氯离子会导致竞争性的析氯反应(ClER)，并对催化剂的严重腐蚀，使得电解水效率下降。因此，开发高效、稳定、耐氯的电催化剂对于电解海水至关重要。贵金属催化剂虽活性优异，但高成本阻碍了其广泛应用。因此，过渡金属基材料被认为是理想的替代者。其中，氧元素具有高电负性，因此，过渡金属氧化物表面的氧原子层在与过渡金属成键时会导致成键的极化作用增强，进而形成富电子层。在此基础上，通过增强这一富电子层，以增强其对氯离子的排斥作用和电解水的本征活性，对电解海水具有重要意义。

【内容简介】

日前，中国海洋大学化学化工学院孟祥超教授课题组在Nano Energy上发表了题为“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，作者采用电沉积和快速焦耳热方法制备了一种耐腐蚀的Fe-NiO/MoO2双功能催化剂，用于海水电解。其中，快速焦耳加热法确保了催化剂在制备过程中的可控热解还原和异质结构的稳定形成。针对高浓度氯离子干扰的挑战，本研究制备的Fe-NiO/MoO2在析氧反应过程中原位重构为Fe, Mo-NiOOH，通过Fe和Mo的共掺杂，使得更多的电子转移到Fe, Mo-NiOOH表面的氧原子层上，增强了对氯离子的排斥作用。实验结果显示，在碱性海水中，重构的Fe, Mo-NiOOH在1000 mA cm-2下的过电位为399 mV。当NaCl浓度提高至3 M时，Fe, Mo-NiOOH 在500 mA cm-2下的过电位仅增加约0.02 V。对于析氢反应，Fe-NiO/MoO2在1000 mA cm-2下的过电位为417 mV。当NaCl浓度提高至3 M时，Fe-NiO/MoO2的过电位在500 mA cm-2下的过电位几乎不变。这项工作为开发高效耐盐的海水裂解电催化剂提供了新的启示。

【图文速览】

图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.

图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.

【作者简介】

孟祥超，男，中国海洋大学化学化工学院教授、博士生导师。本科毕业于中国海洋大学，硕士和博士毕业于加拿大渥太华大学。2019年加入中国海洋大学。主要研究方向：光电催化裂解海水制氢及新型光电催化反应器设计及开发。在光电催化领域发表学术论文60余篇。课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/Meng_Xiangchao。