中科大章根强教授 Small ：废旧电池驱动超亲水Ni基多组分阵列用于高效产氢和肼氧化- 大数跨境

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中科大章根强教授 Small ：废旧电池驱动超亲水Ni基多组分阵列用于高效产氢和肼氧化

科学材料站

2021-04-12

导读：该文章报道了一种超亲水的Ni基多组分纳米棒复合纳米片阵列-Ni NCNA，并可用于废旧电池驱动的水合肼氧化和氢析出双功能电催化以达到高效产氢。

文章信息

废旧电池驱动超亲水Ni基多组分阵列用于高效产氢和肼氧化

第一作者：李亚鹏

通讯作者：章根强*

单位：中国科学技术大学

研究背景

为了实现“碳达峰，碳中和”目标，基于可再生能源的电解水系统的绿色氢能大有可为，但阳极缓慢的动力学行为致使电解水达到了其热力学瓶颈（≈1.5 V）。为了进一步突破高电压限制，降低能源消耗，一系列杂化电解水系统逐渐引起研究人员重视。

其中，水合肼氧化因热力学电位低（-0.33 V vs RHE），阳极产物为N2，可避免O2/H2混合物的形成，有望成为一种节能安全的产氢系统，因此寻求具备高活性肼氧化电催化活性甚至同时具备氢析出活性的双功能电催化剂已成为当下研究热点。

然而，为了实现工业级电流密度（500-1000 mA cm-2）下产氢，不仅需要精准集成具有不同催化活性的活性成分于单一材料，更需要独特的微纳结构设计来增加电极材料的亲水疏气性，从而实现大电流下积累的气泡快速释放，活性位点再次暴露。

另外，我国每年废旧电池制造量大约有一万吨，其蕴含了大量的低品质能量，但水合肼氧化辅助产氢系统的热力学电压远低于传统电解水，因此有望利用废旧电池作为该系统的廉价电源，在高效电极材料的催化作用下，将残余能量提取出来，转化为高品质氢气，从而实现变废为宝。

文章简介

基于此，来自中国科学技术大学的章根强教授，在国际知名期刊Small上发表题为“Superhydrophilic Ni-based Multicomponent Nanorod-Confined-Nanoflake Array Electrode Achieves Waste-Battery-Driven Hydrogen Evolution and Hydrazine Oxidation”的研究文章。

该文章报道了一种超亲水的Ni基多组分纳米棒复合纳米片阵列-Ni NCNA，并可用于废旧电池驱动的水合肼氧化和氢析出双功能电催化以达到高效产氢。

图1. Ni NCNA用于废旧电池驱动的水合肼氧化辅助高效制氢。

本文要点

要点一：Ni基多组分阵列构筑

首先在泡沫镍基底上生长了NiMoO4 纳米棒阵列，随后二次水热在纳米棒上复合了纳米片，形成NiCoMoO4分级结构，最后在H2/Ar气氛中退火获得了纳米棒复合纳米片Ni基多组分阵列。

3D分级结构提供了大量暴露的活性位点，超亲水界面确保了电解质的快速渗透，纳米棒/纳米片的紧密接触为电子转移提供了高速通道，多种Ni基组成协同调节了电子结构，从而使Ni NCNA表现出杰出的水合肼氧化和氢析出双功能活性。

图2. Ni NCNA的形成过程示意图。

要点二：纳米棒/纳米片微结构复合和Ni基多组成集成

我们对单独一个异质结构区域进行了高分辨调查，并重点分析了纳米棒区域以及纳米棒和纳米片的结合区域，

如图3a所示。对于Ni NCNA的纳米棒区域（图3b, d, e），可以分析出归属于Ni的（111）晶面和NiMoO4的（220）和（53-1）晶面。

图3f表明两种结构之间具有明显的晶界，因此说明纳米棒的主要成分为Ni和NiMoO4。

结合部分主要为非晶-结晶混合区域，其中非晶区域可能主要为低价态的Mo基氧化物（图3c）。对于靠近纳米片的结晶区域，晶格条纹清晰可见，主要归属于NiCo的（111）晶面（图3g）。

同时，在靠近纳米棒的结晶区域具有（200）晶面，归属于Ni和NiCo（图3h, i）。

因此所得物质为Ni，NiCo和NiCoMo4等Ni基成分集成的多元复合结构，有利于水合肼氧化和氢析出双功能活性的实现和提高。

图3. Ni NCNA精细结构调查。（a）单个纳米棒复合纳米片单元。（b，d-f）纳米棒区域微结构分析。（c，g-i）复合区域微结构分析。

要点三：废旧电池驱动产氢

该Ni基多组分阵列用于水合肼氧化辅助产氢两电极测试（图4a）时，不仅比传统电解水所需电压明显减小，而且仅仅在0.485 V的施加电压下，电流密度可以达到892 mA cm-2的工业级大小。

进一步对比表明（图4b），Ni NCNA在大电流密度（500 mA cm-2）下所需电压远小于文献报道电解水催化剂所需电压，在不同电流（200/500 mA cm-2）下的电压也低于其它水合肼氧化辅助产氢双功能电极材料所需电压，因此表现出先进的电催化活性。

图4c和d说明，Ni NCNA具有优异的稳定性和多步电流下电压响应能力，从而可用于多种情况下长时间电解。

我们进一步进行了水接触角测试，如图4e所示，水滴在该复合结构表面会快速铺展，说明Ni NCNA具备超亲水表面特性，从而可促进电解质的快速接触，气泡的迅速释放和活性位点的重新暴露，满足了大电流运行需要。

得益于该材料优异的电催化性能，我们又利用生活中随处可见的7号废旧电池作为电源驱动上述两电极系统，可以在阴阳极上产生大量气泡，而且1 h的产氢量高达1.074 mmol，高效实现了废弃能源到高价值氢能的转换（图4f, g）

图4. Ni NCNA用于水合肼氧化辅助产氢双功能电催化性能调查。（a）水合肼氧化辅助产氢和全解水产氢极化曲线对比。（b）Ni NCNA和文献报道双功能催化剂性能对比。（c）两电极稳定性调查。（d）电流从50到400 mA cm-2变化时电压响应情况，间隔为50 mA cm-2，持续时间为600 s。（e）亲水性调查。（f，g）废旧电池（开路电压为1.2 V）驱动两电极产氢。，

要点四：前瞻

本文通过两步逐级水热和一步热还原制备了一种超亲水的Ni基多组分自支撑电极。得益于丰富的Ni/NiMoO4界面和Ni/NiCo的原子级匹配所带来的协同效应以及3D超亲水分级微纳结构，该复合材料表现出优异的水合肼氧化和氢析出性能，用于两电极产氢时不仅能在0.495 V下实现892 mA cm-2的工业级电流大小，更可以被废旧电池驱动，达到1.074 mmol h-1的产氢速率。我们的研究证明了具有超亲水的非贵金属基分等级多组分结构在节能产氢方面的广阔前景以及在废弃能源高效利用方面的价值。

文章链接

“Superhydrophilic Ni‐based Multicomponent Nanorod‐Confined‐Nanoflake Array Electrode Achieves Waste‐Battery‐Driven Hydrogen Evolution and Hydrazine Oxidation”

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202008148

通讯作者介绍

章根强教授。

中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，微尺度物质科学国家研究中心双聘研究院，国家高层次人才计划入选者。分别于2004年和2009年在中国科学技术大学获得学士和博士学位，2009年-2011年于普渡大学化工学院从事博士后研究，2011年-2014年在，新加坡南洋理工大学/TUM-CREATE研究中心从事博士后研究，2014年-2016年在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室从事主任学者博士后研究, 2016年加入中国科学技术大学，建立能源纳米材料实验室。

章教授致力于先进功能纳米材料的优化合成及其在能源器件中的应用研究，近期主要从事的研究方向包括能源存储器件电极材料的应用研究，高性能电催化剂的设计合成和新颖复合纳米结构在能源存储与转换领域中的应用研究，并一直致力于推动相关研究产业化进展。已发表超过90余篇SCI科学论文，被引用次数超过7,940次，H因子=36，其中包括Sci. Adv., Nat. Comm., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Letter, Environ. Stro. Mater., Appl. Catal. B-Environ, Small, J. Mater. Chem. A等高水平杂志。作为发明人申请7 项美国和中国发明专利，其中授权4项，三项正在受理中。目前承担中组部青千计划项目、国家自然科学基金面上项目两项。现任Wiley出版社InforMat 期刊青年编委、中国材料研究学会先进无机材料分会理事。

课题组介绍

本课题组致力于先进功能纳米材料的优化合成及其在能源器件中的应用研究，近期主要围绕以下三个研究方向开展工作：

1. 基于多元过渡金属氧化物纳米结构的可控合成及其作为能源存储器件电极材料的应用研究。

2. 基于过渡金属非氧化物纳米结构的高性能电催化剂的设计合成、性能优化及其在能源转换器件中的应用研究。

3. 新颖复合纳米结构在能源存储与转换领域中的应用研究。

课题组相关主页：zhanglab.ustc.edu.cn