【催化】三维Co3O4空心纳米结构用于高效全电解水- 大数跨境

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2017-03-03

导读：澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授课题组开发出一种新颖快速的电化学辅助自模板法用以合成高效三维Co3O4空心管阵列电解水催化剂

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当今社会的快速发展伴随着传统化石能源的快速消耗，与之造成的环境问题受到人们的日益关注。因其在制取清洁氢能、开发高效燃料电池和金属空气电池的重要地位，电解水反应成为当前应用技术和科研领域的研究热点。电解水反应由两个半反应组成，即析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）和析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction, HER）。由于半反应缓慢动力学特征，通常需要使用资源稀缺的贵金属催化剂来达到可观的催化活性，如IrO₂/RuO₂用于OER，Pt用于HER，这就极大地限制了实际工业化应用需求。虽然过渡金属替代型电催化剂研究取得了很大的进展，但仍然存在一些问题亟待解决。首先，需要对过渡金属掺杂改性或者与功能性基底复合来提高电化学性能，但该策略耗时复杂且活性提升幅度有限；再者，常见的电催化剂通常以粉末形式存在，需要使用高分子粘结剂将其负载到导电基底上，可是不导电的粘结剂会覆盖电催化活性位点，而且在大电流操作下催化剂会因气泡的快速析出而造成脱落，引起活性的逐渐丢失。制备出三维空心纳米结构过渡金属催化剂为解决上述问题提供了可行方案。

近期，澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授课题组开发出一种新颖快速的电化学辅助自模板法用以合成高效三维Co₃O₄空心管阵列电解水催化剂（上图a）。研究人员首先采用水热法将CoHPO₄微米棒阵列生长到高导电的泡沫镍基底上，随后在碱电解液中，经恒电位处理将预生长的CoHPO₄微米棒转变成Co₃O₄分级空心管。磷酸盐稳定性弱，在阳极氧化偏压能够原位逐渐转化成Co₃O₄；其次，CoHPO₄质子化特征加速了其在碱性环境中的溶解速率，促进空心管结构的形成。该Co₃O₄空心管结构的高比表面积增加了材料的活性面积，多孔管壁提供了质量传递通道，而且这种三维自支撑结构有效降低了电子转移阻抗，从而提高了电子迁移效率。在电催化OER方面，起始反应电位仅为1.52 V，Tafel斜率为84 mV dev^-1，甚至与IrO₂/C相当；在HER反面，虽然起始反应电位略高于Pt/C，但是Tafel斜率为98 mV dec^-1，明显低于Pt/C（125 mV dec^-1）。进一步组合应用于全电解水反应时，仅需400 mV的过电位输出10 mA cm^-2电流信号，与贵金属IrO₂/C和Pt/C活性相当，但是稳定性更加优异，即使在连续12小时操作后也未出现明显活性衰退（上图b）。