先进能源材料化学教育部重点实验室(南开大学) Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry, Ministry of Education (Nankai University)

程方益团队在高性能电极材料制备方面获得最新研究进展

发布人:李海霞 时间:2018-07-03

    氧析出反应(OER)在电化学清洁能量储存与转化中具有重要意义,是水光/电分解制氢过程的半反应,其产生的电子可将金属空气电池中的金属离子还原为金属,实现金属空气电池可充性,还可将二氧化碳还原为碳氢燃料。OER为四电子过程,动力学缓慢,过电位大,通常使用Ir和Ru等稀有贵金属基催化剂;反应过程中释放气体,气泡堆积在电极表面增加极化,还会造成电极活性材料脱落,降低电极性能,这在大电流密度(>1 A/cm2)工作条件下尤为明显。因此,开发廉价、高效、稳定的氧析出电极是有吸引力和挑战性的课题。电沉积是一种传统的电极制备方法,可将活性物质直接负载于导电基底,避免粉体制作电极中的粘结剂使用,但是电沉积制备存在材料通用性差、界面调控困难、沉积载量低等问题。
    针对上述问题,重点实验室程方益研究员团队利用含氧酸阴离子可插入到石墨层间的性质,发展了阴极还原电沉积制备高性能氢氧化物/氧化物电极材料的新方法。该方法具有良好的普适性,可沉积多种过渡金属氢氧化物和氧化物,增强沉积物与基底的界面结合力。获得的氢氧化物或双金属氢氧化物/氧化物在石墨基底上附着性强,存在裂纹结构,具有超亲水性,且负载量高(可达23 mg/cm2)。作者以制备的石墨负载NiCe共沉积电极为例深入研究了氧析出电催化性能,结果显示其性能优于商品化RuO2参照物,10 mA/cm2下过电位低至177 mV,1000 mA/cm2大电流密度下持续电解300 h无明显活性衰减。这种廉价、高效、稳定的NiCe双金属氢氧化物复合电极在工业化水电解槽中具有良好应用前景。作者还通过原位Raman和XRD研究,揭示了CeO2掺入Ni(OH)2能调节Ni的电子结构并且促进γ-NiOOH优先暴露(003)晶面,增加电化学活性表面积,从而提升OER电催化性能。以上发现对于高性能过渡金属氢氧化物、羟基氧化物和氧化物电极的设计制备具有借鉴意义。同时,这种电沉积方法具有材料通用性强、工艺简单、成本低廉等突出优点,有望拓展至其它功能电极材料,在水电解槽、空气电池、超级电容器等器件中展现出很好的应用前景。相关工作发表于Nature Communications 2018, 9, 2373.