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学院在Nature Communications发表有关硼化物衍生的产氧催化剂论文
添加时间:2021-10-28 14:46:30  

近日,来自天津大学的梁红艳教授和刘永长教授与加拿大多伦多大学的Edward H. Sargent教授合作,在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Boride-derived oxygen-evolution catalysts”的研究文章。

金属硼化物/硼酸盐被认为是很有前途的电催化水分解析氧反应催化剂;然而,到目前为止,还很难实现可商业化运行的电流密度和稳定性。在本篇论文中,金属结构团队提出了了一种制备高性能的硼化物/硼酸盐基催化剂的方法。通过结合理论计算模拟和原位表征(同步辐射和X射线衍射)技术,发现金属硼化物的新特性,即在电催化反应过程中原位形成的金属酸盐(NiFe-B to NiFe-B-O)可以显著提高催化剂的电催化活性。

该研究文章分析了现在常用的硼基化合物产氧催化剂在高电流性能下不稳定的原因,同时通过Operando光谱表征确认金属硼化物原位生成的硼酸盐是产生较高催化活性的原因,并在可商业化的水分解和电催化CO还原测试中表现出高稳定性。

图1. 硼化物就加入前后NiFe甫尔拜图的变化以及OER反应能量的变化。

本篇论文解释了硼化物催化剂具有良好产氧反应中的性能的原因,利用原位X射线表征方法,可以观测到B化物到B酸盐的转变,并结合理论计算和甫尔拜图,可以得到高性能和稳定的的Ni和Fe基硼酸盐。除此之外,还验证NiFe基硼化物催化剂的高催化产氧性能。本文利用化学还原方法来制备NiFe基硼化物催化剂,并在三维泡沫镍衬底上表征其电催化产氧性能。结果显示,这种硼化物衍生氧化物催化剂能够在10 mA/cm2电流密度中与1 M KOH电解液中达到167 mV过电势。

该项技术有助于实现商业化应用。电催化水分解器件中,在1 A/cm2高电流密度中长达400 h工作时过电势达到破记录值,仅为460 mV。此外,将催化剂与CO还原反应进行配合,组装为碱性环境膜电解池,能够在200 mA/cm2电流密度中稳定的进行80 h长时间C2H4电催化合成。其中制备C2H4电催化的能量使用效率为19 %,相比条件中当使用IrO2进行OER反应的C2H4电催化能量效率仅仅17 %。

第一作者:王宁,徐奥妮,欧鹏飞,洪崧富

通讯作者:梁红艳*,刘永长*,Edward H. Sargent*

单位:天津大学,加拿大多伦多大学

【文章链接】

“Boride-derived oxygen-evolution catalysts”

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26307-7.pdf