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氧空位主导的NiS2/CoS2多孔界面纳米线阵列:便携式锌空电池驱动水分解

在石油、天然气等不可再生能源日益短缺的今日,发展高效、稳定、清洁、廉价的新型产能方式备受瞩目。电催化水分解由于绿色环保、产品纯度高以及制得气体(H2/O2)的高效率被认为是目前最具发展潜力的技术之一。但是,电催化水分解具有较高的理论电压1.23 V,目前的手段都是利用工业生产的电来电解水,本质上还是在消耗有限的不可再生资源。因此,该技术的核心问题是如何大幅降低其分解电压,寻找新型的可替代电源供应。其中,开发廉价、易制备的高效多功能电催化材料,并设计自驱动装置是人们一直研究的热点。最近,兰州大学席聘贤教授课题组与北京大学郭少军教授课题组通过氧空位主导的方法成功的合成了NiS2/CoS2-O多孔界面纳米线催化材料。得益于表面的氧空位和本身的界面,以及多孔纳米线阵列等结构特征,使得该材料具有优良的电催化性能。在碱性(1 M KOH)条件下,具有优良的OER催化活性和稳定性;同时,DFT计算进一步证明表面氧空位对原有硫化物电催化性能的提升。此外,便携式锌空电池驱动的水分解装置,具有很好的性能和稳定性,同时H2/O2的生产效率均接近100 %。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials上(影响因子:19.791)。

得益于表面的氧空位和本身的界面,以及多孔纳米线阵列等结构特征,使得NiS2/CoS2-O纳米线具有优良的电催化性能。在碱性(1 M KOH)条件下,OER电流达到10 mA/cm^2电流密度仅需235 mV过电位,同时可以在该电流密度下保持稳定催化70 h;同时,DFT计算进一步证明表面氧空位对原有硫化物电催化性能的提升(图2)。此外,表面氧空位主导的NiS2/CoS2多孔界面纳米线还具有优良的HER和ORR性能。

氧空位主导的NiS2/CoS2多孔界面纳米线阵列:便携式锌空电池驱动水分解图1.(a)NiS2/CoS2和NiS2/CoS2-O多孔界面纳米线的XRD图像,(b, c)NiS2/CoS2和NiS2/CoS2-O多孔界面纳米线的SEM图像,(d-f)NiS2/CoS2多孔界面纳米线的TEM,HR-TEM图像和相应的mapping图,(g-i)NiS2/CoS2-O多孔界面纳米线的TEM,HR-TEM图像和相应的mapping图。

氧空位主导的NiS2/CoS2多孔界面纳米线阵列:便携式锌空电池驱动水分解

图2. NiS2/CoS2-O多孔界面纳米线催化剂的碱性OER催化性能;(a)LSV,(b)Tafel曲线,(c)DFT计算模型,(d)计算结果对比了不同催化剂表面发生OER反应时所需的能量。

便携式锌空电池的设计组装进一步实现了该材料在能源转换方面的应用,该锌空电池具有1.49 V的开路电压和稳定的充放电性能。以两节串联的锌空电池为电力驱动,以表面氧空位主导的NiS2/CoS2多孔界面纳米线阵列为阴阳极,设计组装的自驱动水分解装置,具有很好的性能和稳定性,同时H2/O2的生产效率均接近100 %。

氧空位主导的NiS2/CoS2多孔界面纳米线阵列:便携式锌空电池驱动水分解

图3. NiS2/CoS2-O多孔界面纳米线催化剂组装的锌空电池,以及自驱动水分解装置; (a)便携式锌空电池的组装,(b)便携式锌空电池开路电压的测试,(c)自驱动水分解装置和稳定性测试,(d)自驱动水分解效率的计算。

材料制备过程表述:

首先,利用水热反应制备得到NiCo2O4纳米线阵列;然后,通过缺陷控制将NiCo2O4纳米线阵列与硫粉在300度反应获得NiS2和CoS2界面纳米线阵列;最后,巧妙的利用硫化物在OER过程中的表面氧化,在1.6 V(vs. RHE)电压下测试6 h获得表面氧空位主导的NiS2/CoS2多孔界面纳米线阵列(图1)。

 Jie Yin, Yuxuan Li, Fan Lv, Min Lu, Ke Sun,Wei Wang, Lei Wang, Fangyi Cheng, Yefei Li, Pinxian Xi, Shaojun Guo, Oxygen Vacancies Dominated NiS2/CoS2 Interface Porous Nanowires for Portable Zn–Air Batteries Driven Water Splitting Devices, Adv. Mater. 2017,29, 1704681.

 

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