高效水分解三維氧電極的構築

2020-12-06 科學網

 

二十一世紀，人類所面臨最大挑戰是能源和環境問題。為實現安全、清潔和可持續的能源供給，人們不僅要著力提高現存化石燃料的利用效率，更要大力開發新能源。在所有可再生能源中，太陽能是最大的可利用資源，其在一小時內照射到地球表面的能量就足夠滿足全世界一年內對能源的需求。然而，太陽能的間隙性與能源需求連續性之間的矛盾使得太陽能的大規模利用必須以其能得到有效的存儲為前提。電催化水分解獲得氫燃料是大規模存儲太陽能的一種有效的方式。然而，陽極氧析出反應是一個比較複雜和緩慢的過程，其限制了電解水的整體動力學性能和效率的提升。因此，發展一種具有高活性、高穩定性和低成本的氧析出電極對太陽能的規模化開發和利用具有極其重要的意義。

 

近日，中科院長春應化所張新波課題組提出一種新的氧析出電極的設計思路。作者首先在具有三維結構的商業泡沫鎳骨架表面包覆簡單的MOF材料（ZIF-8）,然後通過適當的熱處理使ZIF-8材料轉化為多孔碳,最後在鹼性電解液中直接陽極氧化使活性鎳層材料填充到多孔碳的孔道中，製備得到了活性和穩定性好的新型三維氧析出電極。

 

目前，文獻中大量使用的氧析出電極的製備方式是在二維導電基底（如ITO）上沉積活性物質。為提高催化活性，增大材料的活性面積是有效的方式。泡沫鎳因具有三維結構、導電性好和價格低廉等的優點，恰好能夠滿足三維氧析出電極的設計要求。另外，由於導電基底上沉積的催化氧析出活性層材料一般是電子惰性的，為避免電極材料表面反應產生的電子不能順利地轉移到導電基底上，研究者普遍傾向於在基底上沉積薄層的活性材料。而該工作巧妙地在活性陽極氧化鎳內部引入多孔碳，這就好像為電子在材料表面和導電泡沫鎳骨架間構建了一條條連續的「高速公路」，提高了材料整體的電子遷移率，使得電極的活性得到顯著的提升。此外，多孔碳層不僅增加了整個電極的機械強度，還能有效抑制泡沫鎳的深度陽極氧化，增強了電極的穩定性。此外，作者使用MOF材料轉化為多孔碳層，也拓寬了MOF材料的用途。

 

該工作為解決現階段氧析出電極製備過程中存在的問題，提出了一些創新的設計思路，又通過簡單的實驗證實了其可行性，對今後電極的進一步改善有借鑑意義。此外，所設計和合成的三維電極也可以擴展到鋰離子電池、鈉離子電池、鋰空電池或超級電容器等其它應用領域。上述成果近期發表在Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 5248上，並被選為」Hot Paper」和「Frontispiece Paper」。（來源：科學網）

 

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