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Nature Mater:将铁镍基合金作为碱性介质中的高活性、低成本析氧反应催化剂

来源: 聚展网 2024-04-23 18:04:31 55 分类: 通讯通信资讯
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【科学背景】

全球变暖需要可再生电力,理想情况下,通过水电解产生的氢可以有效地储存。在水电解槽中发生的慢动力学析氧反应(OER)会导致运行效率降低和高电池电压。虽然IrO 2 通常被用作参考OER电催化剂,但必须开发出更可持续、活性、稳定和富含地球元素的催化剂。NiFe基氢氧化物(Ni1-xFexOOH)可用于碱性水电解槽;但Ni1-xFexOOH中活性位点的性质仍然存在争议。一般来说,镍铁基氢氧化物在析氧反应中具有高活性,但需要复杂工艺进行合成,并且当沉积在外部载体上时耐久性较差。怎么获得成本低廉,工艺简单的Fe-Ni合金析氧电极,一直是国内外研究的难点。

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【科学贡献】

本工作证明了易于加工、廉价的Fe-Ni合金会自发地形成高活性的NiFe氧-氢氧化物表面,在电化学激活下溶解。虽然合金的制造工艺和初始表面状态对析氧反应性能没有影响,但NiFe表面层的生长/组成取决于合金元素和初始原子Fe/Ni比,当Fe/Ni比在0.2 ~0.4之间时,析氧反应性能最佳,且具有大量活性位点和高效率。这一发现为碱性水电解槽的Fe-Ni合金析氧电极奠定了基础。相关成果以“Fe–Ni-based alloys as highly active and low-cost oxygen evolution reaction catalyst in alkaline media”为题发表在国际著名期刊Nature Materials上。

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图1 0.1 M KOH, 25℃条件下OER性能的电化学表征。a,抛光后不同合金的CV扫描;b,从图1a中提取的Ni III /Ni II还原峰电位,作为扫描电子显微镜(SEM)和EDS测定的初始Fe含量的函数;c - e,抛光(c),时效(d)和激活(e)后导线和板的OER电位;f、抛光、时效和活化后各级Ni III /Ni II反应能力的演变;g、Ni活性位点性能的演化;h,电流密度为10ma cm 2 时的OER电位。©2024 Springer Nature

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图2 Ni/Fe活性表面层微观结构表征。a - d四个样品的TEM图像:W-316L (a), W-825 (b), W-718 (c)和W-625 (d);每张图像右侧的蓝色区域勾勒出活性表面层;e, P-625和P-825抛光后和活化后的GI-XRD分析;f,g,活性表层中的衍射图,表明其具有良好结晶结构(f)和纳米晶结构(g);h,通过将衍射图与奥氏体相和NiO立方结构进行比较而生成的 ASTAR 相图; i, ASTAR晶体取向图. ©2024 Springer Nature

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图3 TEM-EDS分析;活化样品的化学成分谱。负深度对应于体积,而正深度对应于活性表面层。©2024 Springer Nature

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图4  Ni、Fe和Cr峰的XPS光谱 反褶积 。a - c为W-718的XPS分析:Ni 2 p (a)、Fe 2 p (b)和Cr 2 p (c);d - f为W-625的XPS分析:Ni 2 p (d)、Fe 3 p (e)和Cr 2 p (f)。©2024 Springer Nature

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图5 活性表面层化学成分对关键电化学参数的影响;a,镍III /镍II还原峰电位与铁含量(at.%)的函数关系,由XPS测定的原子铁/镍比确定。为了计算铁的原子百分率,我们考虑一种只含铁和镍的合金;b, Ni活性位点活性随表面层原子Fe/Ni比的函数。c, OER性能与氧化层化学成分的相关性。OER电位(在5 mA cm -2 时)显示为XPS测量的原子Fe/Ni比的函数。©2024 Springer Nature

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【创新点】

1、发现了析氧反应性能最佳的Fe/Ni原子质量比;

2、创造性的提出了利用Fe– Ni基合金 作为高活性、低成本的碱性电解质催剂、

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【科学启迪】

无论初始合金的铁和镍含量如何,在施加交变电位(在与可再生电力耦合的水电解槽上进行)时,都可以很容易地获得显着的OER活性(优于商用IrO 2 )和合理的耐久性。这一创新成果不仅为低成本、高活性碱性电解质的开发提供了思路,还促进了氢能源的可持续应用。

论文详情:

https://doi.org/10.1038/s-5

本文由虚谷纳物 供稿。

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