湖南大学陶瓷研究所在电催化裂解水领域取得新进展
2021-07-13 湖南大学新闻网-材料科学与工程学院

  近期,湖南大学陶瓷研究所团队在引入外磁场提高催化剂的电解水性能研究方面取得了新进展。该研究成果以“Multiple effects driven by AC magnetic field for enhanced electrocatalytic oxygen evolution in alkaline electrolyte”为题发表在Chemical Engineering Journal (IF=13.273)上。湖南大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位,博士研究生郑航博为论文第一作者,高朋召教授为论文通讯作者。

  电解水产氢作为一种理想的制氢途径,其规模化应用受到了贵金属电催化剂成本高和非贵金属催化剂性能低下的制约。近年来,通过组成设计、形貌调控以及引入外场(如磁场,光场等)来改善非贵金属催化剂电解水性能的研究引起了极大的关注。

  学校研究人员采用简单的水热法,通过调节不同过渡金属的添加量,制备了一系列三元M-MOF-74(M=Fe, Co, Ni)(NCF-CX)电催化剂,并研究了其在外交变磁场下的析氧行为。研究结果表明,外交变磁场对电催化剂OER的影响机制是普遍适用的,磁场在低电流密度下会促进OER,但会抑制高电流密度下的OER。以NCF-C3和碳纸为研究对象,当施加5.184 mT的交流磁场时,NCF-C3和碳纸在10 mA cm-2处的过电位分别达到了214和399 mV,相较于不加磁场,分别降低了36.7%和17.6%。但40 mA cm-2处的过电位分别增加了27.8%和39.9%。基于上述研究结果,揭示了外交变磁场对电催化剂电化学析氧行为的作用机制:a.交变磁场诱导的涡旋电场(EV);b.洛伦兹力引起的磁流体动力对流;c.交变磁场诱导电催化剂最外层的电子自旋平行排列。

  文章链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130785

图1外交变磁场对OER的作用机制示意图。

  图2 NCF-C3 (a)和碳纸(b)在不同交变磁场下的LSV曲线(未iR校正)。样品NCF-C3 (c)和碳纸(d)在不同电位下的j-t曲线。不同交变磁场下样品NCF-C3 (e, f)和碳纸(h, i)未iR校正的归一化LSV曲线以及相应的Tafel斜率。样品NCF-C3 (g)和碳纸(j)在不同交变磁场下的过电位(@ 10和40 mA cm-2)和塔菲尔斜率直方图。

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