Nanofolhas tridimensionais dopadas com Mn como eletrocatalisadores eficientes para separação de água alcalina
Ni dopado com Mn2 O3 /Ni2 NixSy/Ni dopado com P e Mn2 P são fabricados com sucesso através de reação hidrotérmica e subsequente fosforização e sulfurização. Os resultados da caracterização mostram também a existência de heteroestruturas e a composição correspondente dos eletrocatalisadores como fabricados. Crédito:Science China Press
O hidrogênio atraiu muita atenção da academia e da indústria como fonte de energia devido à sua compatibilidade ambiental intrínseca, abundância e alta densidade de energia (120 MJ kg
−1
). A separação eletrocatalítica da água é uma rota ecologicamente correta para produzir hidrogênio, especialmente quando a eletricidade é de fontes renováveis que minimizam as emissões de dióxido de carbono ao longo do processo.
A reação de evolução de oxigênio (OER) no ânodo e a reação de evolução de hidrogênio (HER) no cátodo são duas semi-reações na separação eletrocatalítica da água. Compostos à base de Pt e Ru/Ir são os eletrocatalisadores de metais nobres de alto desempenho mais conhecidos para HER e OER, respectivamente. No entanto, a escassez e o alto custo desses metais nobres dificultam sua aplicação na eletrólise da água. Portanto, com perspectivas globais, é essencial desenvolver eletrocatalisadores de metais não nobres abundantes em terra para tecnologias de separação de água de próxima geração. Recentemente, os eletrocatalisadores à base de Ni foram confirmados como eficazes para aumentar a separação eletrocatalítica da água, mas seus desempenhos não são altos o suficiente para a produção de hidrogênio em larga escala.
Uma equipe na China fabricou com sucesso Ni
2 dopado com Mn O
3 /Ni
2 Ni
x dopado com P e Mn S
s /Ni
2 P através de fácil reação hidrotermal e, posteriormente, método de fosforização e sulfurização.
Os picos de difração de raios X (XRD) de Ni
x dopado com Mn S
s /Ni
2 Ni
2 dopado com P e Mn O
3 /Ni
2 P indicam que Ni
x dopado com Mn S
s /Ni
2 P é composto de Ni
x S
s e Ni
2 P, enquanto Ni
2 dopado com Mn O
3 /Ni
2 P consiste em Ni
2 O
3 e Ni
2 P. Além disso, as imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) mostram a microestrutura de nanofolhas de Ni
2 dopado com Mn O
3 /Ni
2 Ni
x dopado com P e Mn S
s /Ni
2 P. No entanto, as heteroestruturas de Ni
2 O
3 /Ni
2 P e Ni
x S
s /Ni
2 P são confirmados pelas imagens TEM de alta resolução.
Beneficiando-se da modulação eletrônica e de sítios ativos abundantes, Ni
2 dopado com Mn O
3 /Ni
2 P exibiu atividade HER superior com uma densidade de corrente de -10 mA cm
−2
em um sobrepotencial baixo de 104 mV. Enquanto isso, Ni
x dopado com Mn S
s /Ni
2 P atingiu uma densidade de corrente de 100 mA cm
−2
em um baixo sobrepotencial de 290 mV para REA e mostrou um potencial quase constante em 50 mA cm
−2
por 160h. Curiosamente, a célula eletrolítica construída por esses dois eletrocatalisadores exigia uma tensão de célula de apenas 1,65 V para fornecer 10 mA cm
−2
com estabilidade superior a 50 mA cm
−2
por 120h.
Em conclusão, combinando três estratégias, dopagem com Mn, engenharia de heteroestrutura e aplicando matrizes de nanofolhas 3D, Ni
2 dopado com Mn O
3 /Ni
2 Ni
x dopado com P e Mn S
s /Ni
2 P são fabricados com sucesso por uma reação hidrotérmica fácil seguida de fosforização, e no caso de Ni
x dopado com Mn S
s /Ni
2 P, sulfurização. Altas atividades intrínsecas são habilitadas pela modulação eletrônica das heteroestruturas e dopagem de Mn, enquanto sítios ativos abundantes são garantidos por áreas de superfície ativas ampliadas das matrizes de nanofolhas 3D. A combinação aumenta cumulativamente as atividades eletrocatalíticas em relação a HER, OER e divisão geral da água.
A pesquisa foi publicada em
Science China Materials .
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