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?四單位聯合AEM: 制備多層NiFeM納米泡沫催化劑,顯著提高AEMWE性能

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3d過渡金屬,尤其是鎳、鐵、鈷和錳,在堿性介質中表現出良好的OER活性和穩定性。盡管目前大多數過渡金屬氧化物在半電池反應中表現出優異的OER活性,但它們很少能在基于膜電極組體(MEA)的堿性陰離子交換膜水電解槽(AEMWEs)中表現出相同的性能。其中一個原因是實際電解槽中的MEA測試要嚴格得多,這會導致一些材料的嚴重腐蝕。
此外,目前MEA性能的不足還與電/離子導電率低以及與三維多孔催化劑層內離聚體界面不良有關。此外,有利于傳質和離聚體分散的孔隙率和形貌對于高電流密度制氫至關重要。因此,建立OER電催化劑的結構/組成與其MEA性能之間的關系對于理解催化機理和提高AEMWE性能具有重要意義。
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近日,紐約州立大學布法羅分校武剛普渡大學曾振華Giner Inc., Newton的Hui Xu阿貢國家實驗室Deborah J. Myers等通過調節第三種金屬并將其加入到當前的NiFe催化劑中,開發了多種多孔和多層三元NiFeM (M=Co、Cu或Mn)泡沫OER催化劑,其具有獨特的非晶態氧化物外殼和晶體混合相金屬玻璃核結構。引入第三過渡金屬元素可以產生更活躍的雙金屬中心,如Co-Ni和Co-Fe,這可以降低OER過程中OH轉化為O的勢壘。
此外,雙金屬中心的協同作用可以在OER過程中破壞OH-O結合,為這些臨界中間體提供最佳的吸附能量。內晶核通過促進供電過程,加速反應,在高電流密度下運行的水電解槽中作出了顯著的貢獻。更重要的是,這些3D催化劑除了具有自支撐、中孔和大孔的結構外,還具有較高的穩定性,可以大大緩解腐蝕問題。
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性能測試結果顯示,在半電池反應中,NiFeCo對OER具有最好的催化活性和穩定性。同時,NiFeMn催化劑在基于AEM的MEA中作為陽極時,在1.7 V下的電流密度高達2.0 A cm-2。此外,當使用純水作為電解質時,特別是在高電流密度下,NiFeCu催化劑在≈2.3 V的電壓下產生1.2 A cm-2的電流密度,性能接近IrO2
這些NiFeM催化劑在不同OER環境下性能的不同,進一步突出了理解陽極催化劑的實際活性中心、催化劑/電解質界面和實際表面形態/結構在提升材料性能方面的重要性。
Regulating the third metal to design and engineer multilayered NiFeM (M: Co, Mn, and Cu) Nanofoam anode catalysts for anion-exchange membrane water electrolyzers. Advanced Energy Materials, 2024. DOI: 10.1002/aenm.202400029

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