浙江大学张兵AM：由木材衍生的独立式碳基电极实现工业级制氢

电化学水分解利用可再生电力生产高纯氢气是一种有前景的可持续能源策略。在高电流密度下，大量氢气通过析氢反应(HER)快速扩散，大大降低了电解水的能源效率和可扩展性，从而对高效稳定的电催化剂提出了要求。迄今为止，Pt基催化剂被认为是性能最优异的HER电催化剂，但存在稀缺性和成本高的问题。为了解决这些问题，人们投入了大量的精力来开发高效的非贵金属电催化剂，以取代昂贵的Pt/C基催化剂。

然而，大多数报道的电催化剂只能在低电流密度(≤500 mA cm^-2)或低输出(总电流≤200 mA)下运行良好，并且在使用粘结剂制备电极时受到催化剂脱落导致的稳定性差的影响，这些都严重限制了大规模的水电解制氢。

基于此，浙江大学张兵等人通过将Ni纳米颗粒包覆在氮掺杂碳化木骨架中构建了一种碳电极(Ni@NCW)，该催化剂也不负众望的实现了高效析氢。

本文通过标准的三电极体系，在0.5 M H₂SO₄中测试了独立Ni@NCW电极的电催化HER性能。为了研究Ni@NCW-2.0催化剂的分层多孔结构和独立电极形式对催化剂HER催化性能的影响，本文还制备了Ni@NCW-2.0粉末并通过Nafion将其涂覆碳纸(CP)上并与Ni@NGP-2.0(使用石墨板代替碳化木)和商业Pt/C进行对比。

根据线性扫描伏安(LSV)曲线可以发现，商业Pt/C在酸性介质中表现出优异的催化活性，Ni@NCW-2.0也以相对较低的过电位(158 mV)达到10 mA cm^-2的电流密度。更加重要的是，与Ni@NCW-2.0/CP(445和509 mV)和Ni@NGP-2.0(365和405 mV)相比，Ni@NCW-2.0电极在电流密度为50和100 mA cm^-2时，过电位仅分别为267和304 mV，表现出更高的催化活性。

值得注意的是，Ni@NCW-2.0只需要381 mV的小过电位就可以实现500 mA cm^-2的大电流密度，这大大低于Ni@NCW-2.0/CP和Ni@NGP-2.0催化剂的过电位。此外，本文还对利用不同三聚氰胺量制备出的Ni@NCW进行了碱性HER催化活性测试。LSV曲线表明，Ni@NCW-2.0在酸性和碱性介质中都表现出良好的催化活性。

其中Ni@NCW-2.0在20、50、100 mA cm^-2电流密度下(1 M KOH)的过电位分别为70、158、240 mV，优于Ni@NCW-1.0(123、241、302 mV)和Ni@NCW-1.5(118、225、276 mV)，这说明氮掺杂可以优化Ni@NCW的HER性能。

Ni@NCW-2.0除了在酸性和碱性介质中展现出优异的HER活性，其也表现出非凡的电催化稳定性，Ni@NCW-2.0电极在高电流密下(500 mA cm^-2@0.5 M H₂SO₄，1000 mA cm^-2@1 M KOH)运行100小时后仍能保持优异的HER催化活性。

本文的研究结果表明，得益于催化剂的多孔结构和独立活性位点的优势，其可以直接用作酸性和碱性介质中的HER电极，并具有良好的动力学特性。令人印象深刻的是，这种Ni@NCW电极可以在AEMWA装置中提供4.0 A的工业级电流，并具有非凡的稳定性。

基于本文的实验结果和理论计算结果还可以得知，N掺杂碳层不仅可以调控催化剂的电子性能，还可以促进电荷转移以增强催化剂的电导率，显著提高催化剂的HER活性。

此外，优化的水解离能垒和△G_H*表明，Ni纳米粒子和N掺杂碳层之间的协同作用有助于催化剂实现优异的HER性能。综上所述，本文基于天然木材的原位合成策略为制备稳定、高效的三维分层多孔碳电极提供了可行和可持续的路径，从而实现了先进的电化学能量转换。这项工作的结果也证明了Ni@NCW碳电极在实际AEMWA中的巨大应用潜力，可用于实现工业级产氢。

Wood-Derived Freestanding Carbon-based Electrode with Hierarchical Structure for Industrial-Level Hydrogen Production, Advanced Materials, 2023, DOI: 10.1002/adma.202304917.

https://doi.org/10.1002/adma.202304917.

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