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Angew. Chem. :利用氯的特异性吸附来实现高性能海水裂解2023-12-01
利用电解海水产氢来替代目前的纯水电解可以克服淡水资源短缺的矛盾,从而实现长效可持续的绿色产氢,是解决当前能源危机的重要途径。水分解由阳极上的析氧反应(OER)和阴极上的析氢反应(HER)组成。对于海水中发生的OER,海水中的Cl-被认为是目前影响OER过程的主要因素。然而对于海水OER,大多数研究采取的策略是通过催化剂修饰来实现对Cl-的排斥,从而限制Cl-吸附对于OER过程的影响。

 

 

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不同于以往的研究,澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋院士、郑尧副教授团队和中科院高能物理研究所董俊才副研究员(共同通讯作者)等人合作发现对于NiFe LDH这种典型的OER催化剂,其在碱性海水中比在碱性纯水中表现出意外更好的性能。在海水中活性和稳定性都有明显的提升。相反地,对于Ni(OH)2这另外一种典型的OER材料,在碱性海水中的性能远次于在碱性纯水中的性能。

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通过一系列的原位光谱表征(Raman, XAS),作者发现Cl-特异性吸附在铁位点上,抑制了铁化合价的升高,稳定住了活泼的晶格氧,从而提升了催化剂在海水中的稳定性,并且促进了高价镍的生成,这样使得此催化剂在海水中拥有更高的活性。此外,作者通过原位ATR-SEIRAS和DEMS,深入研究了从纯水到海水的OER机理变化,即从纯水中广为人知的晶格氧(LOM)机理转化为海水中的吸附演化(AEM)机理,这种OER机理的转化也解释了NiFe LDH在海水中独特的活性和稳定性。

进一步地,作者在商业碱性水电解槽(AE,120 cm2电极有效面积)中测试了大规模电解海水的可能性。因为NiFe LDH在海水中更高的活性,相比于采用同样阳极的纯水基AE,海水基AE节约了12.8%的电能消耗。若与采用商业催化剂(镍网)的纯水AE相比,则节约了20.7%的电量。此外,海水基AE表现出了极佳的稳定性,在200 mA cm-2的电流密度下,稳定运行了100小时,性能几乎没有衰减,为大规模的实际海水电解提供了有效解决方案。

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该工作系统地解释了在真实海水中NiFe LDH性能变好的机理,提出了全新的海水OER催化剂设计思路,即有意地允许Cl-吸附到所需的催化剂位点,以诱导催化剂中有利的相变,从而提高其活性和稳定性。

文信息

High-Performance Alkaline Seawater Electrolysis with Anomalous Chloride Promoted Oxygen Evolution Reaction

Hao Liu, Wei Shen, Dr. Huanyu Jin, Jun Xu, Prof. Pinxian Xi, Prof. Juncai Dong, Prof. Yao Zheng, Prof. Shi-Zhang Qiao

第一作者为阿德莱德大学博士生刘浩,兰州大学博士生沈巍为本文共同第一作者

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202311674