氫氣(H2)具有高能量密度(142 MJ kg-1)和無(wú)污染的特點(diǎn)，被認(rèn)為是一種有前景的傳統(tǒng)化石燃料的替代品。電化學(xué)電解水，包括陰極的析氫反應(yīng)(HER)和陽(yáng)極的析氧反應(yīng)(OER)，為氫氣的制備提供了一種可持續(xù)和高效的途徑。在過(guò)去的十年中，許多基于淡水電解質(zhì)的高效水電解催化劑被開(kāi)發(fā)出來(lái)，這給稀缺的淡水資源帶來(lái)了沉重的壓力。電解占全球水資源約96.5%的海水成為大規(guī)模制備氫氣的一種有前景的替代方法。然而，由于緩慢的OER和HER動(dòng)力學(xué)，不良的氯氧化反應(yīng)(ClOR)以及海水中的腐蝕性鹽導(dǎo)致的電極腐蝕，電解海水技術(shù)的實(shí)施仍然極具挑戰(zhàn)性。
基于此，浙江工業(yè)大學(xué)曹澥宏等人制備了一種整體式Fe-Mo-Co-O納米片催化劑，將Fe摻雜的Co2Mo3O8/MoO3/Co3O4納米片負(fù)載在泡沫鎳(FMCO/NF)上，實(shí)現(xiàn)高效海水電解。對(duì)于電化學(xué)測(cè)試，本文直接將自支撐的催化劑作為工作電極，在1.0 M KOH淡水電解質(zhì)中評(píng)估了FMCO/NF的OER和HER性能。FMCO/NF的OER活性最好，其過(guò)電位為289 mV(10 mA cm-2)，顯著低于Co3O4/NF(356 mV)、IrO2/NF(392 mV)和NF(494 mV)。此外，F(xiàn)MCO/NF在電壓為1.55 V vs.RHE時(shí)可以達(dá)到41.9 mA cm-2的電流密度，是Co3O4/NF、IrO2/NF和NF的5.3、24.6和69.8倍。值得注意的是，由于各組分之間的協(xié)同作用，F(xiàn)MCO/NF的OER和HER活性均遠(yuǎn)高于其他對(duì)比催化劑。之后，進(jìn)一步研究了FMCO/NF在堿性模擬海水電解質(zhì)(1 M KOH+0.5 M NaCl)和堿性天然海水電解質(zhì)(1 M KOH+海水)中的OER和HER性能。可以觀察到，F(xiàn)MCO/NF在1 M KOH+0.5 M NaCl中，達(dá)到50 mA cm-2的電流密度分別需要328(OER)和248 mV(HER)的低過(guò)電位，低于Co3O4/NF的454和342 mV。在1 M KOH+海水電解質(zhì)中，Co3O4/NF的OER和HER活性出現(xiàn)明顯衰減，這可能是天然海水中微生物和小顆粒的中毒引起的。相比之下，F(xiàn)MCO/NF衰減較小，OER和HER在50 mA cm-2時(shí)的過(guò)電位分別為365和250 mV。更重要的是，F(xiàn)MCO/NF在1m KOH+海水電解質(zhì)中工作180小時(shí)后，其電位幾乎恒定(HER增加約12 mV，OER增加約33 mV)，表現(xiàn)出令人滿意的穩(wěn)定性。本文的研究結(jié)果表明，F(xiàn)MCO/NF作為高效、防腐蝕的雙功能電催化劑可用于電解海水制氫。得益于Fe摻雜多金屬氧化物優(yōu)化了電子/配位結(jié)構(gòu)、Mo-O組分的高耐蝕性以及三維納米片結(jié)構(gòu)中豐富的活性位點(diǎn)，使得所制備的FMCO/NF催化劑在堿性淡水、模擬海水和真實(shí)海水介質(zhì)中均表現(xiàn)出出色的OER和HER性能。值得注意的是，在1.0 M KOH中，F(xiàn)MCO/NF||FMCO/NF電解槽在1.58 V的低電壓下就可以達(dá)到10 mA cm-2的電流密度，優(yōu)于IrO2/NF||Pt/C/NF和許多非貴金屬基催化劑。更令人興奮的是，當(dāng)FMCO/NF在堿性海水中進(jìn)行電解時(shí)，電解槽除了電壓需求低之外，還具有高穩(wěn)定性和98.1%的法拉第效率。本工作為合理設(shè)計(jì)具有高活性和高選擇性的多功能電催化劑提供了一種可行的策略。Ferrum-Molybdenum Dual Incorporated Cobalt Oxides as Efficient Bifunctional Anti-Corrosion Electrocatalyst for Seawater Splitting, Applied Catalysis B: Environmental, 2023, DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122488.https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122488.
