核壳结构的纳米粒子磷酸镍钠作为电催化剂在碱性电解液的析氧反应

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在电解水过程中,伴随的析氧反应(OER)和析氢反应(HER)都需要很高的过电位,这会造成能量损失。因此,正在进行对于更低成本的且能够使水分解的电压更接近热力学极限的电催化剂的开发工作和深入研究。研究在析氧反应中高效的电催化剂是关键。因为析氧反应是水电解的瓶颈,同时包含四个连续过程。现有的工业上用于水分解的电催化剂,依赖贵金属(铂、钯、铱、钌)的化合物或纳米颗粒,这导致其成本高。过去的几十年,人们已经在这个问题上取得了重大进展,相继提出了基于硼化物、碳化物、磷化物、硫属化合物、氧化物或氢氧化物、复合氧化物的新型析氧反应催化剂。近年来,更多的目光聚焦在多价金属磷酸盐和磷酸盐薄膜的使用,这些催化剂显示出对析氢反应和析氧反应的优异的电催化效果,并且已经证明了磷酸盐及其复合材料在碱性介质中获得低氧过电位值的可能性。同时,关于这种电催化剂的许多问题仍需要进一步探究。我们根据两种方案进行了磷酸盐的合成。我们能够制得两种不同结构的化合物—纳米颗粒和晶体结构。在这里,我们研究了混合磷酸盐Na4Ni3(PO42P2O7作为电催化剂的潜在候选物。我们对Na-Ni-Р-O系统进行了全面研究,获得不含杂质的Na4Ni3P4O15单晶(根据XRD数据,PDF卡#01-087-0977)。在进一步使用复合磷酸盐之前,先在行星式球磨机中进行研磨(达到平均尺寸小于10 mkm)。为了评估该磷酸盐在碱性介质中的稳定性,将部分样品在1 M Na OH溶液中放置30天。处理后进行的分析结果表明复杂的磷酸盐部分分解。XRD和FTIR光谱数据显示分解随着混合Ni(OH)2-Na4Ni3P4O15复合物的形成,在p H=14时发生磷酸盐沉淀。SEM和TEM观察了纳米结构型壳(Ni(OH)2)-核(Na4Ni3P4O15)的形成。混合羟基氧化镍磷酸盐具有优异活性的电催化剂10-20 m A·cm-2时280-310m V范围内的过电位,相当于Ru O2的活性。这些结果表明Na4Ni3(PO42P2O7是磷酸盐化合物电解水的最佳催化剂之一。
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