Tredimensionelle Mn-doterede nanoplader som effektive elektrokatalysatorer til alkalisk vandspaltning

Brint har tiltrukket sig omfattende opmærksomhed fra den akademiske verden og industrien som energikilde på grund af dets iboende miljøkompatibilitet, overflod og høje energitæthed (120 MJ kg ⁻¹ ). Elektrokatalytisk vandspaltning er en miljøvenlig måde at producere brint på, især når elektriciteten kommer fra vedvarende kilder, der minimerer kuldioxidemissioner gennem hele processen.

Iltudviklingsreaktionen (OER) på anoden og hydrogenudviklingsreaktionen (HER) på katoden er to halvreaktioner i elektrokatalytisk vandspaltning. Pt- og Ru/Ir-baserede forbindelser er de bedst kendte højtydende ædelmetalelektrokatalysatorer til henholdsvis HER og OER. Men knapheden og høje omkostninger ved sådanne ædelmetaller hæmmer deres anvendelse i vandelektrolyse. Derfor, med globale udsigter, er det vigtigt at udvikle jordrige ikke-ædelmetalelektrokatalysatorer til næste generations vandspaltningsteknologier. For nylig er det blevet bekræftet, at Ni-baserede elektrokatalysatorer er effektive til at øge elektrokatalytisk vandspaltning, men deres ydeevne er ikke høj nok til brintproduktion i stor skala.

Et hold i Kina har med succes fremstillet Mn-dopet Ni₂ O₃ /Ni₂ P og Mn-doteret Ni_x S_y /Ni₂ P gennem let hydrotermisk reaktion og efterfølgende phosphoriserings- og svovlmetode.

Røntgendiffraktionstoppene (XRD) af Mn-doteret Ni_x S_y /Ni₂ P og Mn-doteret Ni₂ O₃ /Ni₂ P angiver, at Mn-dopet Ni_x S_y /Ni₂ P er sammensat af Ni_x S_y og Ni₂ P, mens Mn-dopet Ni₂ O₃ /Ni₂ P består af Ni₂ O₃ og Ni₂ P. Desuden viser scanningselektronmikroskopi (SEM) og transmissionselektronmikroskopi (TEM) billeder begge nanoarkmikrostrukturen af ​​Mn-doteret Ni₂ O₃ /Ni₂ P og Mn-doteret Ni_x S_y /Ni₂ P. Ikke desto mindre er heterostrukturerne af Ni₂ O₃ /Ni₂ P og Ni_x S_y /Ni₂ P bekræftes af TEM-billederne i høj opløsning.

Nyder godt af den elektroniske modulering og rigelige aktive steder, Mn-dopet Ni₂ O₃ /Ni₂ P udviste overlegen HER-aktivitet med en strømtæthed på -10 mA cm ^-2 ved et lavt overpotentiale på 104 mV. I mellemtiden Mn-dopet Ni_x S_y /Ni₂ P opnåede en strømtæthed på 100 mA cm ⁻² ved et lavt overpotentiale på 290 mV for OER og viste et næsten konstant potentiale ved 50 mA cm ⁻² i 160 timer. Interessant nok krævede den elektrolysecelle konstrueret af disse to elektrokatalysatorer en cellespænding på kun 1,65 V for at give 10 mA cm ⁻² med overlegen stabilitet ved 50 mA cm ⁻² i 120 timer.

Afslutningsvis, ved at kombinere tre strategier, Mn-doping, heterostrukturkonstruktion og anvendelse af 3D-nanoark-arrays, Mn-dopet Ni₂ O₃ /Ni₂ P og Mn-doteret Ni_x S_y /Ni₂ P fremstilles med succes ved en let hydrotermisk reaktion efterfulgt af phosphorisering, og i tilfælde af Mn-doteret Ni_x S_y /Ni₂ P, svovldannelse. Høje iboende aktiviteter muliggøres af elektronisk modulering af heterostrukturerne og Mn-doping, mens rigelige aktive steder garanteres af forstørrede aktive overfladeområder fra 3D-nanoark-arrays. Kombinationen øger kumulativt de elektrokatalytiske aktiviteter mod HER, OER og overordnet vandopdeling.

Forskningen blev offentliggjort i Science China Materials . + Udforsk yderligere

Nikkelphosphid nanopartikelkatalysator er den fulde pakke