不可再生燃料資源的迅速枯竭造成的能源短缺是全球最緊迫的挑戰(zhàn)之一。由于氫氣具有很高的能量密度，而且在加工過程中對(duì)環(huán)境的影響可以忽略不計(jì)，因此通過電化學(xué)裂水從水中生產(chǎn)清潔的氫氣和氧氣特別有吸引力。陽(yáng)極析氧反應(yīng)(OER)和陰極析氫反應(yīng)(HER)涉及的兩個(gè)電化學(xué)裂水反應(yīng)都需要大量的活化過電位(η)。

來自東北林業(yè)大學(xué)，美國(guó)馬里蘭大學(xué)等單位的研究人員利用廉價(jià)、環(huán)保的木材基材，采用一步煅燒的方法將Co-Ni二元納米粒子沉積到定向的木材通道中，制備了一種高效的炭化木材電極(簡(jiǎn)稱Co/Ni-CW)，并對(duì)Co/Ni-CW電極進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，Co/Ni-CW電極具有良好的電化學(xué)性質(zhì)。相關(guān)論文發(fā)布在Advanced Functional Materials。

論文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202010951

本文通過木材基體上的羥基與浸泡金屬離子之間的配位鍵，得到了分布均勻的Co-Ni納米粒子。隨后，高溫煅燒促進(jìn)了Co-Ni納米粒子的形核和CW的形成。由于Co-Ni納米粒子的均勻分布和多孔的木材結(jié)構(gòu)不僅具有高活性的表面積，而且增強(qiáng)了電子和質(zhì)量擴(kuò)散路徑。因此，所制備的Co/Ni-CW a?在330mV和157mV的低過電位下分別具有10 mA cm-2的析氧電流密度和157mV的析氫電流密度。值得注意的是，當(dāng)木基雙功能電催化劑同時(shí)用作陽(yáng)極和陰極時(shí)，需要1.64V的低電池電壓才能達(dá)到10 mA cm-2的電流密度。與大多數(shù)用于雙功能電催化劑的底物相比，木基催化劑的豐度、低成本、環(huán)保和易操作等特點(diǎn)使得它可以作為分解水和許多其他儲(chǔ)能裝置的活性電極和可擴(kuò)展電極。

圖1.多孔結(jié)構(gòu)、均勻分布的Ni/Co納米顆粒炭化木質(zhì)電極的工作原理。

圖2.a)照片和b)天然木材經(jīng)Co2+和Ni2+浸泡后的掃描電鏡圖像。

圖3.a)碳化木材上負(fù)載的Co/Ni二元納米粒子的TEM圖像和元素映射。

圖4.a)通過標(biāo)準(zhǔn)化到ECSA、Co/Ni-CW、Co-CW和Ni-CW上的OER極化曲線。

圖5.a)雙電極配置示意圖，其中Co/Ni-CW同時(shí)用作陽(yáng)極和陰極，可用于整體的水分離。

綜上所述，本文展示了一種低成本的Co/Ni二元納米顆粒修飾的CW電極，用于有效地分解水。與典型的電極底物不同，含有大量羥基的天然木材可以作為一種有效的底物，通過配位鍵將金屬陽(yáng)離子錨定在細(xì)胞壁上。進(jìn)一步的高溫煅燒有利于CW和Co/Ni二元納米粒子的形成。由于天然木材獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)和均勻分布在木材通道中的Co/Ni納米顆粒，低成本的CW電極為電子、離子和氣體的有效傳輸提供了一條特殊的三通道。因此，當(dāng)電流密度為10 mA cm-2時(shí)，OER的過電位為330 mV，HER的過電位為157mV。此外，在10 mA cm-2的電流密度下，CW電極表現(xiàn)出1.64V的低電池電壓，以及作為陽(yáng)極和陰極的整體水分裂的良好的循環(huán)耐久性。密度泛函(DFT)分析表明，Co/Ni二元納米粒子與CW非均相界面上H2O分子的有效吸附和裂解是其良好電催化性能的主要原因。重要的是，天然豐富和低成本的木材是電催化行業(yè)生產(chǎn)可伸縮能源燃料的替代基材。這種基于天然木材的簡(jiǎn)單而有效的煅燒策略為制備三維結(jié)構(gòu)和多孔電極材料提供了一個(gè)非常有前途的方向，適用于各種儲(chǔ)能、電化學(xué)催化和電子應(yīng)用。

審核編輯 ：李倩