AM: 碱性电解水工业温度下OER催化剂的重构

雨辰

2020-09-03

评价工业所需的50-80°C碱性水电解（AWE）确实可以促进实际应用。合理设计能够在工业温度下良好工作的HER和OER催化剂对于实际的碱性水电解(AWE)应用非常重要。MoO₂-Ni阵列在25.0°C时表现出类似Pt的HER活性，简便的合成路线有利于其大量生产。这种催化剂可用作潜在的HER候选催化剂，因为其非均相组分可以避免在高温催化条件下的附聚。对于阳极OER，最近一些研究人员评估了在80°C下的催化性能，例如在碱中的NiFe-LDH或在酸中的CoFePbOx，但是仅工作约20小时。在室温下测试时，过渡金属基催化剂（称为预催化剂）中通常存在表面重构，但重构程度有限（<10 nm）。这归因于致密的重构层导致的重构终止，从而限制了质量输运。然而，在50-80℃条件下，预催化剂的重构可能会得到促进和深化因此，常规测试和工业测试之间的实际催化种类和重构机理可能有所不同。

有鉴于此，武汉理工大学麦立强教授、武汉理工大学吴劲松教授和中国科学技术大学Kun Ni等人，揭示了在51.9°C时钼酸盐析氧反应（OER）预催化剂的热诱导完全重构（TICR）及其基本机理。

本文要点

1）通过原位低温/高温拉曼光谱，非原位显微镜和电子断层扫描来确定动态重建过程，真正的活性物种和立体结构特征。

2）完全重构的（CR）催化剂（表示为Cat.‐51.9）通过热力学稳定的（羟基）氢氧化物纳米粒子相互连接，并具有丰富的边界和低结晶度。对于碱性OER, cat. 51.9表现出低过电位(20 mA cm⁻²，25.0℃时为282.3 mV)，在51.9℃(250 h时，活性衰减为19.6×V−1，可以忽略不计)具有超稳定的催化作用。

3）实验观察与理论分析相结合，证实了快速催化动力学是由边界和空位的协同效应所实现的。耦合的Cat.51.9和MoO₂-Ni析氢阵列可在51.9°C下提供220 h的稳定电解操作。

总之，该工作揭示了在实际条件下预催化剂的新重构现象，以及完全重构的催化剂对实际高温碱性水电解的出色耐久性。

参考文献：

Xiong Liu et al. Reconstruction‐Determined Alkaline Water Electrolysis at Industrial Temperatures. Advanced Materials, 2020.

DOI: 10.1002/adma.202001136

https://doi.org/10.1002/adma.202001136