通過低溫電解水制取綠色氫氣是緩解全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的一條有前途的途徑。堿性電解槽(AELs)具有制氫能耗低的優(yōu)點(diǎn)，但它們也存在能量效率低、氣體滲透，以及由于厚的多孔隔膜和腐蝕性堿性溶液造成的緩慢暫態(tài)響應(yīng)等缺點(diǎn)。采用離子交換膜和零間隙結(jié)構(gòu)可以避免多孔膜和液體電解質(zhì)帶來的問題。
例如，氫氧化物交換膜電解槽(HEMELs)作為一種新興技術(shù)，原則上采用無Pt族金屬催化劑和堆疊組件，并受益于零間隙結(jié)構(gòu)，有望降低制氫的成本。HEMEL的高性能依賴于開發(fā)高活性的電催化劑。迄今為止，人們已經(jīng)開發(fā)出多種不含Pt族金屬的OER催化劑。然而，目前仍然缺乏有效的非貴金屬基陰極催化劑來進(jìn)行堿性析氫反應(yīng)(HER)，這嚴(yán)重阻礙了HEMEL的發(fā)展。
近日，華中科技大學(xué)肖軍武、王帥、涂正凱和美國特拉華大學(xué)嚴(yán)玉山等報(bào)道了一種三元Ni-Cu-Mo材料作為高效的HEMEL陰極催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最優(yōu)的Ni0.9Cu0.1Mo催化劑在10 mA cm?2電流密度下所需的HER過電位僅為30 mV，Tafel斜率為33 mV dec?1；并且該催化劑在經(jīng)過2000次CV循環(huán)和階梯型10-100 mA cm?2電流密度下連續(xù)運(yùn)行100小時(shí)后的活性下降可忽略不計(jì)，且反應(yīng)后材料的結(jié)構(gòu)和形貌仍保持良好，表明Ni-Cu-Mo催化劑具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。
理論計(jì)算結(jié)果顯示，相比于Ni-Mo，Ni0.9Cu0.1Mo的d帶中心下降，從而導(dǎo)致HBE的減弱；從Ni-Mo到Ni0.9Cu0.1Mo，Hads脫附的峰值溫度下降了28 °C，表明Cu引入Ni-Mo減弱了Ni-H鍵強(qiáng)度并加速了H脫附。
此外，為了驗(yàn)證Ni0.9Cu0.1Mo的實(shí)際應(yīng)用能力，研究人員使用Ni0.9Cu0.1Mo陰極和NiFeOOH(F)陽極組裝了HEMEL。在2.0 V時(shí)，當(dāng)向陽極通入1.0 M KOH電解質(zhì)時(shí)，電流密度達(dá)到3.8 A cm-2，甚至在該電壓下以純水作為電解質(zhì)也達(dá)到1.7 A cm-2。
更重要的是，該HEMEL在純水體系中可穩(wěn)定運(yùn)行1000 小時(shí)，降解率僅為0.5 mV h-1。通過對(duì)反應(yīng)后的材料分析，證明催化劑緩慢的降解在很大程度上歸因于離聚體的遷移，因此需要加強(qiáng)離聚物與催化劑之間的相互作用，以進(jìn)一步提高催化劑的穩(wěn)定性能。綜上，該項(xiàng)工作證明了完全通過無Pt族金屬催化劑來實(shí)現(xiàn)氫氣生產(chǎn)的可行性，有助于推動(dòng)高性能HEMELs的進(jìn)一步發(fā)展。
Accelerating hydrogen desorption of nickel molybdenum cathode via copper modulation for pure-water-fed hydroxide exchange membrane electrolyzer. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202313275
