双功能型嵌入镍纳米颗粒的碳棱柱状微米棒电极用于电化学甲醇氧化助力的节能产氢

摘要

随着人类社会的高速发展,在保证环境不被破坏的情况下维持众多机械和电气设备的正常运转急需清洁的能源方式.氢被认为是在未来最有前景的清洁能源之一.近期,电化学水分解己被认为是获取氢能的最有效的方法之一,它的燃料产物只是无污染的水;然而,迟缓的析氧反应严重制约了水分解效率,导致驱动水分解的电压相对较高.探求热力学有利的阳极反应以取代缓慢的氧析出和开发高活性双功能型电催化剂用于这种阳极反应和析氢对于实现可应用于工业的节能型产氢至关重要.当前,普遍认为用其他有用的且利于热力学的反应取代析氧反应可以减小分解电压从而实现节能产氢.本文报道了一种用于甲醇氧化和析氢的双功能型嵌入镍纳米粒子的碳棱柱状微米棒电催化剂(命名为镍碳微米棒),该催化剂是由74号金属有机框架结构经碳化处理获得.这种由镍和碳构成的界面材料结构通过原位碳化实现,由于碳的分隔作用,分散的镍纳米颗粒不会轻易团聚,这有利于暴露更多的镍活性位点与电解液相接触,为更快的催化剂和电解液间电荷转移和电化学动力学提供保障.在此阳极的甲醇氧化中,产物分别为二氧化碳和甲酸,两者在1.55V电压下的法拉第效率分别为36.2％和62.5％;同时该镍碳微米棒催化剂表现出优异的甲醇氧化活性和耐久性(12 h持续性催化,电流仅衰退2.7％).值得注意的是,该双功能催化剂不仅具有甲醇氧化活性,在室温下含有0.5 mol·L-1甲醇的1.0 mol·L-1氢氧化钾电解液中的析氢过电位也较低(仅155mV的过电位即可驱动10mA·cm-2的电流),保证了产氢效率.更重要的是,采用这种双功能型电极构造的双电极电解槽仅需1.6 V电压即可驱动10 mA·cm-2的电流,与析氧反应作为阳极反应的电解槽相比驱动电压减小了240 mV.