​【DFT+实验】ACS Catalysis：双功能电催化剂！基于纳米棒阵列的分层NiO微球实现高效的海水光/电解

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​【DFT+实验】ACS Catalysis：双功能电催化剂！基于纳米棒阵列的分层NiO微球实现高效的海水光/电解
随着世界人口的增加，化石燃料的过度使用导致了一系列严重的问题，因此许多研究人员正在开发高效的技术，以产生清洁和可再生的能源，这对未来的无碳社至关重要。水分解生产氢(H2)是一种生态友好和可持续的方法，然而这种方法在真正大规模应用中却面临几个挑战，包括常用材料(Pt、Ir和Ru)的成本高、可用性低以及新开发材料的稳定性差等。因此，开发稳定、成本低、具有大表面积和丰富本征活性位点的析氧/析氢反应(OER/HER)催化剂是一种很有前景的方法，但只有少数催化剂能够在同一电解质中同时具有优异的HER和OER性能。
基于此，伊朗谢里夫理工大学Alireza Z. Moshfegh和成均馆大学Hyoyoung Lee(共同通讯)等人通过形态工程制备了基于纳米棒阵列的层次NiO微球(NRAHM-NiO)催化剂，该催化剂可以实现高选择性的海水电解以及抗氯离子氧化。
​【DFT+实验】ACS Catalysis：双功能电催化剂！基于纳米棒阵列的分层NiO微球实现高效的海水光/电解
根据本文测试得到的极化曲线可以看出，NRAHM-NiO电催化剂具有优异的OER活性(1.0 M KOH+0.5 M NaCl)，在电流密度为100和500 mA cm-2时，需要的过电位分别低至330和540 mV。与IrO2(400和560 mV)和泡沫Ni(550 mV@100 mA cm-2)电极相比，NRAHM-NiO的过电位较小，并且其这一性能也优于许多报道的非贵金属OER电催化剂(海水电解质)。
作为比较，本文还继续研究了NRAHM-NiO电催化剂在淡水(1 M KOH)，模拟海水(0.5 M NaCl+1 M KOH)，高盐水(1.0 M NaCl+1 M KOH)和天然海水电解质中(1.0 M KOH+natural seawater)中的OER性能。在四种不同的碱性介质中，NRAHM-NiO电催化剂在1.0 M KOH中的性能与在其他盐溶液相比有了显著的提高，在电流密度分别为100和500 mA cm-2时，NRAHM-NiO电催化剂的过电位低至290 mV和470 mV。令人满意的是，该催化剂在含盐电解质中的OER性能也非常接近于在1.0 M KOH电解质中的OER性能，即使在高盐水中(1.0 M KOH+1.0 M NaCl)催化剂的催化性能也依旧出色。之后，本文还测试了NRAHM-NiO和泡沫Ni、Pt/C在模拟海水(1.0 M KOH+0.5 M NaCl)中的HER活性。极化曲线表明，尽管在电流密度分别为100和500 mA cm-2时，Pt/C催化剂只需要247和478 mV的最低过电位，但是NRAHM-NiO也可以分别在266和482 mV的过电位下达到相同的电流密度(100和500 mA cm-2)，远低于泡沫Ni的379和821 mV。
然后，本文也测试了NRAHM-NiO在淡水(1 M KOH)，模拟海水(0.5 M NaCl+1 M KOH)，高盐水(1.0 M NaCl+1 M KOH)和天然海水电解质中(1.0 M KOH+natural seawater)中的HER活性。测试结果表明，NRAHM-NiO电催化剂在高盐电解质(1.0 M NaCl)中仍然表现出优异的HER活性，在电流密度为100和500 mA cm-2时，过电位分别为291和508 mV，这种良好的性能非常接近于在碱性淡水中的性能(1.0 M KOH，100 mA cm-2@271 mV，500 mA cm-2@467 mV)。基于NRAHM-NiO优异的HER和OER性能，本文设计了基于NRAHM-NiO的全水解双电极体系，该体系仅需要1.66和2.01 V的小电压就可以在室温下达到100和500 mA cm-2的电流密度，这种催化活性优于Pt/C(-)||Pt/C(+)和Pt/C(-)||IrO2(+)体系。
重要的是，本文设计的体系在连续电解一周的情况下仍然表现出优异的稳定性，并且在没有任何氯物质产生的情况下，其OER达到~100%的法拉第效率。此外，在商用硅太阳能电池的驱动下，以NRHM-NiO催化剂为阴极和阳极的集成光解系统在模拟海水中以9.9%的太阳能-氢能效率自发高效地产生了H2和O2。
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综上所述，本研究利用一种简单、环保和经济的技术成功制备了基于纳米棒阵列的分层NiO微球，可以作为一种高效的无粘合剂的HER/OER双功能电催化剂，用于淡水/海水(模拟/天然)电解。该催化剂得益于高度多孔的分层海胆状结构、优异的亲水性以及催化剂与基底之间的强结合力等一系列优势而具有较高的ECSA、优异的电子动力学、高密度的活性位点、快速的气体释放能力、优异的稳定性和耐腐蚀性，这也使得其在在淡水、模拟海水、以及碱性条件下的天然海水中展现出优异的催化性能。
此外，通过深入的理论计算分析，本文的NRAHM-NiO电极对在海水中的OER具有优越的选择性，氯离子电氧化反应被完全抑制。基于上述研究结果可以得知，本文的策略为经济高效地合成双功能电催化剂提供了一条新途径，并为真正潜在的大规模绿色氢技术以及仅抑制氯离子电氧化反应的电化学系统提供了设计思路。
​【DFT+实验】ACS Catalysis：双功能电催化剂！基于纳米棒阵列的分层NiO微球实现高效的海水光/电解
Nanorod Array-Based Hierarchical NiO Microspheres as a Bifunctional Electrocatalyst for a Selective and Corrosion-Resistance Seawater Photo/Electrolysis System, ACS Catalysis, 2023.

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