Fe、Mo双掺杂钴氧化物实现高效的海水电解

氢气(H₂)具有高能量密度(142 MJ kg^-1)和无污染的特点，被认为是一种有前景的传统化石燃料的替代品。电化学电解水，包括阴极的析氢反应(HER)和阳极的析氧反应(OER)，为氢气的制备提供了一种可持续和高效的途径。在过去的十年中，许多基于淡水电解质的高效水电解催化剂被开发出来，这给稀缺的淡水资源带来了沉重的压力。电解占全球水资源约96.5%的海水成为大规模制备氢气的一种有前景的替代方法。然而，由于缓慢的OER和HER动力学，不良的氯氧化反应(ClOR)以及海水中的腐蚀性盐导致的电极腐蚀，电解海水技术的实施仍然极具挑战性。

基于此，浙江工业大学曹澥宏等人制备了一种整体式Fe-Mo-Co-O纳米片催化剂，将Fe掺杂的Co₂Mo₃O₈/MoO₃/Co₃O₄纳米片负载在泡沫镍(FMCO/NF)上，实现高效海水电解。

对于电化学测试，本文直接将自支撑的催化剂作为工作电极，在1.0 M KOH淡水电解质中评估了FMCO/NF的OER和HER性能。FMCO/NF的OER活性最好，其过电位为289 mV(10 mA cm^-2)，显著低于Co₃O₄/NF(356 mV)、IrO₂/NF(392 mV)和NF(494 mV)。此外，FMCO/NF在电压为1.55 V vs.RHE时可以达到41.9 mA cm^-2的电流密度，是Co₃O₄/NF、IrO₂/NF和NF的5.3、24.6和69.8倍。

值得注意的是，由于各组分之间的协同作用，FMCO/NF的OER和HER活性均远高于其他对比催化剂。之后，进一步研究了FMCO/NF在碱性模拟海水电解质(1 M KOH+0.5 M NaCl)和碱性天然海水电解质(1 M KOH+海水)中的OER和HER性能。可以观察到，FMCO/NF在1 M KOH+0.5 M NaCl中，达到50 mA cm^-2的电流密度分别需要328(OER)和248 mV(HER)的低过电位，低于Co₃O₄/NF的454和342 mV。在1 M KOH+海水电解质中，Co₃O₄/NF的OER和HER活性出现明显衰减，这可能是天然海水中微生物和小颗粒的中毒引起的。

相比之下，FMCO/NF衰减较小，OER和HER在50 mA cm^-2时的过电位分别为365和250 mV。更重要的是，FMCO/NF在1m KOH+海水电解质中工作180小时后，其电位几乎恒定(HER增加约12 mV，OER增加约33 mV)，表现出令人满意的稳定性。

本文的研究结果表明，FMCO/NF作为高效、防腐蚀的双功能电催化剂可用于电解海水制氢。得益于Fe掺杂多金属氧化物优化了电子/配位结构、Mo-O组分的高耐蚀性以及三维纳米片结构中丰富的活性位点，使得所制备的FMCO/NF催化剂在碱性淡水、模拟海水和真实海水介质中均表现出出色的OER和HER性能。

值得注意的是，在1.0 M KOH中，FMCO/NF||FMCO/NF电解槽在1.58 V的低电压下就可以达到10 mA cm^-2的电流密度，优于IrO₂/NF||Pt/C/NF和许多非贵金属基催化剂。

更令人兴奋的是，当FMCO/NF在碱性海水中进行电解时，电解槽除了电压需求低之外，还具有高稳定性和98.1%的法拉第效率。本工作为合理设计具有高活性和高选择性的多功能电催化剂提供了一种可行的策略。

Ferrum-Molybdenum Dual Incorporated Cobalt Oxides as Efficient Bifunctional Anti-Corrosion Electrocatalyst for Seawater Splitting, Applied Catalysis B: Environmental, 2023, DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122488.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122488.