第一作者:Wei Liu通訊作者:孫曉明,周道金,Yun Kuang通訊單位:北京化工大學,深圳清華大學研究院孫曉明,2004年清華大學特等獎學金,2007年“全國百篇優秀博士論文”獲得者,2011年獲國家杰出青年科學基金資助,2017年入選科技部創新人才推進計劃,2019入選中組部萬人計劃領軍人才,2019年入選“牛頓高級學者基金”資助。論文速覽高電流密度下的低能耗海水電解是一種有效的制氫方法,但海水的連續供給可能導致Cl–的積累,導致嚴重的陽極中毒和腐蝕,從而影響活性和穩定性。本論文提出了一種CoFeAl層狀雙氫氧化物(CoFeAl-LDH)陽極材料,該材料在高電流密度下對海水電解制氫表現出優異的穩定性和效率。在6倍濃縮海水存在下,CoFeAl-LDH陽極在2 A cm?2的電流密度下展示了超過350小時的穩定催化性能。通過綜合分析,該研究揭示了在氧氣發生反應過程中,電極中的Al3+離子被OH?蝕刻掉,導致M3+空位的產生,這些空位增強了氧氣發生反應的活性。同時,自源的Al(OH)n?被發現吸附在陽極表面,從而提高了穩定性。基于微孔膜和CoFeAl層狀雙氫氧化物電極的電極組裝在1 A cm?2下連續運行了500小時,證明了其在鹵水電解中的可行性。圖文導讀圖1:鹽水氧化所面臨的陽極腐蝕問題,包括海水供應過程中的腐蝕機制,不同NaCl濃度下商業Ni泡沫電極的原位電化學阻抗譜(EIS)。圖2:CoFeAl-LDH在不同條件下的電催化鹽水氧化性能,包括在不同電解液中的極化曲線,恒流計響應,以及在6倍濃縮海水中的電解性能測試。圖3:CoFeAl-LDH在電催化鹵水氧化前后的結構表征,包括X射線衍射(XRD)圖譜、電子順磁共振(EPR)譜、X射線光電子能譜(XPS)、拉曼光譜、掃描電子顯微鏡(SEM)圖像和高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖像。圖4:鹽水氧化過程中耐蝕性來源的探討。圖5:自源Al(OH)4?在促進OH?富集中的作用研究。總結展望CoFeAl-LDH陽極材料在高電流密度下的海水電解中展現出了卓越的穩定性和效率,這得益于在OER過程中由OH?蝕刻引起的Al3+空位的自形成,這些空位增強了OER活性。同時,Al(OH)n?物種部分吸附在電極表面,通過庫侖力富集OH?并排斥Cl?,從而促進了其他OH?通過氫鍵向電極表面的傳輸。這種材料易于大規模生產,無需復雜的處理即可使用,可在原位激活,有利于工業組裝和操作。這種選擇性增強OH?吸附機制應能啟發進一步的電極優化,以防止連續鹵水電解中由Cl?引起的腐蝕。文獻信息 標題:Self-protecting CoFeAl-layered double hydroxides enable stable and efficient brine oxidation at 2 A cm?2期刊:Nature CommunicationsDOI:10.1038/s41467-024-49195-z