核木加工机(东北林大《AFM》：用木材，制备出低成本高效水分解电极)

Posted 2023-05-29

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核木加工机(东北林大《AFM》：用木材，制备出低成本高效水分解电极)

不可再生燃料资源的迅速枯竭造成的能源短缺是全球最紧迫的挑战之一。由于氢气具有很高的能量密度，而且在加工过程中对环境的影响可以忽略不计，因此通过电化学裂水从水中生产清洁的氢气和氧气特别有吸引力。阳极析氧反应(OER)和阴极析氢反应(HER)涉及的两个电化学裂水反应都需要大量的活化过电位(η)。

来自东北林业大学，美国马里兰大学等单位的研究人员利用廉价、环保的木材基材，采用一步煅烧的方法将Co-Ni二元纳米粒子沉积到定向的木材通道中，制备了一种高效的炭化木材电极(简称Co/Ni-CW)，并对Co/Ni-CW电极进行了研究。结果表明，Co/Ni-CW电极具有良好的电化学性质。相关论文发布在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202010951

本文通过木材基体上的羟基与浸泡金属离子之间的配位键，得到了分布均匀的Co-Ni纳米粒子。随后，高温煅烧促进了Co-Ni纳米粒子的形核和CW的形成。由于Co-Ni纳米粒子的均匀分布和多孔的木材结构不仅具有高活性的表面积，而且增强了电子和质量扩散路径。因此，所制备的Co/Ni-CW aﬀ在330mV和157mV的低过电位下分别具有10 mA cm-2的析氧电流密度和157mV的析氢电流密度。值得注意的是，当木基双功能电催化剂同时用作阳极和阴极时，需要1.64V的低电池电压才能达到10 mA cm-2的电流密度。与大多数用于双功能电催化剂的底物相比，木基催化剂的丰度、低成本、环保和易操作等特点使得它可以作为分解水和许多其他储能装置的活性电极和可扩展电极。

图1.多孔结构、均匀分布的Ni/Co纳米颗粒炭化木质电极的工作原理。

图2.a)照片和b)天然木材经Co2+和Ni2+浸泡后的扫描电镜图像。

图3.a)碳化木材上负载的Co/Ni二元纳米粒子的TEM图像和元素映射。

图4.a)通过标准化到ECSA、Co/Ni-CW、Co-CW和Ni-CW上的OER极化曲线。

图5.a)双电极配置示意图，其中Co/Ni-CW同时用作阳极和阴极，可用于整体的水分离。

综上所述，本文展示了一种低成本的Co/Ni二元纳米颗粒修饰的CW电极，用于有效地分解水。与典型的电极底物不同，含有大量羟基的天然木材可以作为一种有效的底物，通过配位键将金属阳离子锚定在细胞壁上。进一步的高温煅烧有利于CW和Co/Ni二元纳米粒子的形成。由于天然木材独特的多孔结构和均匀分布在木材通道中的Co/Ni纳米颗粒，低成本的CW电极为电子、离子和气体的有效传输提供了一条特殊的三通道。因此，当电流密度为10 mA cm-2时，OER的过电位为330 mV，HER的过电位为157mV。此外，在10 mA cm-2的电流密度下，CW电极表现出1.64V的低电池电压，以及作为阳极和阴极的整体水分裂的良好的循环耐久性。密度泛函(DFT)分析表明，Co/Ni二元纳米粒子与CW非均相界面上H2O分子的有效吸附和裂解是其良好电催化性能的主要原因。重要的是，天然丰富和低成本的木材是电催化行业生产可伸缩能源燃料的替代基材。这种基于天然木材的简单而有效的煅烧策略为制备三维结构和多孔电极材料提供了一个非常有前途的方向，适用于各种储能、电化学催化和电子应用。（文：SSC）

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