澳门大学潘晖教授CEJ研究：多金属相互作用促进重构的FeCoCrCuOx@CF在大电流密度下实现高效碱性水电解- 大数跨境

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澳门大学潘晖教授CEJ研究：多金属相互作用促进重构的FeCoCrCuOx@CF在大电流密度下实现高效碱性水电解

科学材料站

2023-10-22

导读：澳门大学潘晖教授Chemical Engineering Journal研究：多金属相互作用促进重构的FeCoCrCuOx@CF在大电流密度下实现高效碱性水电解

文章信息

金属相互作用促进重构的FeCoCrCuO_x@CF在大电流密度下实现高效碱性水电解

第一作者：刘春发

通讯作者：刘宏超*，潘晖*

单位：澳门大学

研究背景

氢气在各个行业中发挥着基础作用，例如燃料和基本化学品。然而目前，~96%的氢气主要通过石油、煤炭和天然气等化石燃料生产，导致巨大的化石能源需求和环境问题。另一方面，作为“绿氢”的主要生产方法，电解水制备的氢气由于成本较高仅仅占据不到4%的市场。因此，如何降低电解水制氢的成本是扩大绿氢市场的重要方向。

文章简介

近日，来自澳门大学的潘晖教授团队在《Chem. Eng. J.》上发表题为“Multi-metal interaction boosts reconstructed FeCoCrCuO_x@CF toward efficient alkaline water electrolysis under large current density”的研究文章。该论文采用了多金属原位热分解策略成功在泡沫钴（CF）上制备了Pre-FeCoCrCuO_x@CF。

图1. 与催化剂制备过程

图2 Pre-FeCoCrCuO_x@CF: a) SAED. b)-d) HRTEM图像。e) HAADF-STEM 图像以及相应的元素分布（Fe, Co, Cr, Cu和O）

本文要点

要点一：FeCoCrCuO_x@CF电催化剂的析氢性能

本文使用简单的多金属原位热分解+电化学活化的策略在泡沫钴上制备了一系列多金属氧化物。其中，FeCoCrCuO_x@CF在碱性电解液中表现出优异的HER性能，仅需40 mV的过电势就可以实现10 mA cm^-2的电流密度，并且拥有较低的塔菲尔斜率（27.3 mV dec^-1），优于多数已经报道的催化剂并且可以与商业Pt/C相媲美。此外，该催化剂在500 mA cm^-2下表现处优异的稳定性。

图3. 样品在1 M KOH中的析氢性能：a）LSV曲线；b) 过电势。c) 在-10 mA cm^-2下，FeCoCrCuO_x@CF与已发表催化剂的性能对比图。d) 在1 M KOH，500 mA cm^-2下的计时电位测试。e) FeCoCrCuO_x@CF稳定性测试前后的极化曲线。

要点二：FeCoCrCuO_x@CF优异析氢活性的关键

在活化过程中，我们发现Cr离子的溶出与再沉积是提升材料HER性能的关键。其中，元素的种类很大程度影响了这一过程的结果。特别地，Cu元素的引入，促进了Cr离子的再沉积过程，进而促进了材料的HER性能。同时，Raman测试表明，FeCoCrCuO_x@CF优异的析氢活性可能是由于重构结构（FeOOH/CrO_x/CoyOz）、多种金属的协同效应以及强Cr-OH相互作用有效产生MH*。此外，大电流密度稳定性前后催化剂的形貌，化学态变化较小，这为催化剂在该环境中稳定工作提供了保障。

图4 a) 活化过程中不同时间的电解质图片。CV活化曲线：b) FeCoCrO_x@CF和c) FeCoCrCuO_x@CF。

图5. a) CV 活化后在1 M KOH中不同催化剂的LSV曲线（扫描速度为0.5 mV s^-1）比较。b) Pre-FeCoCrCuO_x@CF在CV活化过程的准原位拉曼光谱。c) FeCoCrCuO_x@CF在不同电流下的原位拉曼光谱。

要点三：FeCoCrCuO_x@CF在模拟工业条件下的电解水性能

FeCoCrCuO_x@CF不仅仅在HER过程中表现优异。同时，在全解水性能测试中依旧表现出彩。仅仅需要1.528 V的电压就可以达到10 mA cm^-2的电流密度，低于许多非贵金属催化剂所需要的电压。重要的是，FeCoCrCuO_x@CF 具有优异的稳定性，在 500 mA cm^-2下进行 100 小时的稳定性测试时，电压的增加可以忽略不计（∼7 mV），这比 Pt/C || RuO₂好得多。此外即便是在环境更加苛刻的模拟工业环境（6 M KOH，∼ 60 °C）中，FeCoCrCuO_x@CF依旧表现出优异的活性和高的大电流稳定性（100 小时，施加电压仅增加 2%）。最重要的是，在工业条件下，仅需要 3.18 V 的电压即可在大尺寸 AWE 电极（16.5 cm²，~ 1.84 A cm^-2 ）上获得 > 30 A 的电流。

图6 a) 双功能FeCoCrCuO_x@CF电催化剂的极化曲线。b) 电催化剂在10 mA cm^-2的全解水电压比较。c) 500 mA cm^-2 下在1 M KOH (RT)和6M KOH(60 oC)中催化剂的计时电位曲线。d) 稳定性前后催化剂的极化曲线。e) 大面积5×5.5 cm的FeCoCrCuO_x@CF的数码图像。f) 浸入面积为 16.5 cm2的 FeCoCrCuO_x @CF 电极在模拟工业条件（6 M KOH，∼78 °C）下的全解水性能。

要点四：总结

本文通过简单易于扩展的方法制备了兼具高活性和高稳定性的双功能非贵金属碱性电解水催化剂（FeCoCrCuO_x@CF）。受益于重构结构（FeOOH/CrO_x /CoyOz）、多种金属的协同效应以及Cr促进MH*的生成，FeCoCrCuO_x@CF在AWE中表现出出色的催化活性和稳定性。我们相信我们的工作可以为设计低成本、高效且稳定的工业水电解催化剂提供新的策略。

文章链接

Multi-metal interaction boosts reconstructed FeCoCrCuO_x@CF toward efficient alkaline water electrolysis under large current density

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723054414#f0025

第一作者简介

刘春发，澳门大学应用物理与材料工程研究院博士生。研究兴趣为多金属催化剂在电化学催化分解水、合成氨和二氧化碳还原应用。

通讯作者简介

潘晖老师于2006年获得新加坡国立大学物理学博士学位，2006年到2013年期间先后在新加坡国立大学、美国橡树岭国家重点实验室、新加坡高性能计算研究所等国际顶尖科研机构以研究员和科学家身份从事新型功能纳米材料的设计和实验相关研究。2013年开始潘老师加盟澳门大学应用物理及材料工程研究院，迄今为止，已经发表SCI论文280余篇，文章总引用达14900多次，h-index为64。此外，潘老师还拥有6项中国专利及4项美国专利。潘晖老师从事实验研究和理论计算相结合，设计及制备纳米和薄膜材料，探讨其物理与化学性质，及其在光/电催化、水分解、CO₂还原、光/电催化制氨、氢能源、电子自旋、及纳米器件的应用。

课题组招聘

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更多申请信息，请参阅：https://grs.um.edu.mo/index.php/prospective-students/doctoral-degrees-programmes/。

更多潘晖老师信息，请参阅：https://iapme.um.edu.mo/people/academic-staff/pan-hui/

联系方式：潘老师，huipan@um.edu.mo。

提交材料：个人CV