固体所与上海硅酸盐研究所合作在Journal of Materials Chemistry A发表创新研究成果

发布时间:2020-3-25 13:06:40

原文引自“RSC英国皇家化学会”微信公众号

背景简介:

全解水产氢产氧是解决能源短缺与环境危机的理想途径之一,其难点在于高效、稳定、廉价的催化剂的开发。迄今为止,无论是贵金属还是过渡金属化合物等都未能达到令人满意的效果。钙钛矿材料是一种组成与结构丰富、氧析出性能可与贵金属媲美的电催化剂家族。为了进一步提高钙钛矿氢氧化物的催化活性,改善其较差的导电性显得尤为重要。

基于此,北京工业大学刘丹敏研究员和中国科学院上海硅酸盐研究所王家成研究员及其团队以廉价高导电的泡沫铜为基底,通过简单的共沉淀法,在泡沫铜骨架上原位生长SnFeNi钙钛矿氢氧化物,并以此为基础开发A-SnFeNi/CF和Pt-SnFeNi/CF催化剂用于氧析出和氢析出。其中,多孔泡沫金属利于气体分子的扩散和释放并促进催化剂/载体界面的电荷转移。这种通过简便、可量产的方法制备出的钙钛矿/泡沫铜结构具有高效的催化特性和稳定性。相关工作以题为“In situ growth of free-standing perovskite hydroxide electrocatalysts for efficient overall water splitting”发表于英国皇家化学学会期刊Journal of Materials Chemistry A(影响因子10.733,DOI:10.1039/D0TA00413H)。

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文章亮点

SnFeNi钙钛矿氢氧化物原位生长在自支撑泡沫铜载体上。

钙钛矿/泡沫铜结构利于气体分子的扩散和释放并促进催化剂/载体界面的电荷转移。

 

文章解读

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图1.电催化剂A-SnFeNi/CF和Pt-SnFeNi/CF的合成路线

 

如图1所示:首先通过共沉淀法在自支撑的泡沫铜表面原位生长钙钛矿氢氧化物(SnFeNi/CF)作为前驱体;通过电化学活化得到性能优异的A-SnFeNi/CF作为OER催化剂;通过浸渍,得到Pt-SnFeNi/CF作为HER催化剂。合成工艺简单!

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图2.催化剂表征

 

通过SEM可以观察到钙钛矿氢氧化物成功负载于泡沫铜表面。泡沫铜的大孔隙有利于气态产物(H2和O2)在水分解过程中的扩散。此外,在泡沫铜基体上直接生长钙钛矿氢氧化物可以避免使用粘合剂,从而最小化电催化剂/电极界面产生的过电位损失。

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图3.TEM表征

 

通过TEM分析可知,SnFeNi氢氧化物相对较大的表面积为Pt提供了丰富的锚定位点,实现Pt的均匀分散,从而使催化剂的活性最大化。

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图4.OER性能测试

 

电化学测试表明,原位生长的SnFeNi/CF经电化学活化后在碱性电解液中表现出最佳的OER性能(A-SnFeNi/CF)。钙钛矿氢氧化物与导电衬底的密切接触所产生的强相互作用,促进了电化学过程中电子的快速传递,进而促进了电催化活性。

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图5.HER及全解水性能

 

作为HER催化剂,Pt-SnFeNi/CF表现出较好的催化性能。采A-SnFeNi/CF和Pt-SnFeNi/CF组成全解水装置,展示出比RuO2和Pt/C更低的过电位。

 

文章总结

钙钛矿氢氧化物是能量转换和储存的高活性电催化剂。在本文中,制备了基于SnFeNi/CF的双功能电催化剂用于水的裂解。活化后的A-SnFeNi/CF的OER活性明显好于商业RuO2催化剂,而低负载Pt-SnFeNi/CF的HER活性优于Pt/C。在实际的电解槽中,该材料也表现出较高的整体水分解活性。这项工作提供了一种基于钙钛矿氢氧化物的高性能电催化剂的制备方法,这对今后开发其他钙钛矿材料进行各种能量转换提供了新思路。

 

 

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