さまざまなpH環境での生理食塩水からの効率的な電気触媒水素進化のための初期遷移金属ベースのバイナリ酸化物/窒化物

豊富な海水を使用すると、電気触媒水分割からの水素生産のための淡水資源への依存を減らすことができます。しかし、海水は、さまざまなpH条件下での水素進化反応（HER）電極触媒の安定性と活性に有害な影響を及ぼします。この作業では、バイナリメタリックコアシース窒化物@oxynitride電気触媒[ni（etm）]Δ+ - [o-n]Δ-の合成を報告します。ニッケルフォーム（NF）基質でNIVNを使用して、生理食塩水（0.6 m NaCl）で-10 MA CM -2で32 mVの低い過ポテンシャルを示します。結果は、生理食塩水の進歩を表しており、特に中立的なpH範囲（すなわち、pH 6-8）の下で、地球に豊富な電気触媒の性能を表しています。ニッケルオキシニトリドのドーピングETMは、彼女の通常の速度決定H2O解離ステップを加速し、中性PH生理食塩水の触媒の塩化物の非活性化を抑制します。ヘテロインターフェイス相乗作用は、界面酸化物特性でのH2O吸着と解離を介して発生し、吸着H*は窒化物の特性のHeyRovskyまたはTafelステップを介して進行します。この電気触媒は、-50 mA cm -2の定電流密度の下で50時間安定した性能を示し、その後、ニュートラルな生理食塩水（1 m pb + 0.6 m naCl）で-100 mA cm -2でさらに50時間を増やしました。反対に、同じ条件下で、PT/C@NFは、-50 MA CM -2でわずか4時間後に有意に低いパフォーマンスを示しました。25 mV Dec-1の低タフェル勾配は、Heyrovsky Limitedである商用PT/Cとは異なり、反応がTafel Limitedであることを示しました。私たちは、PH生理食塩水環境における彼女の電気触媒の設計のための表面電荷の非局在に関する一般原則について議論します。

Using abundant seawater can reduce reliance on freshwater resources for hydrogen production from electrocatalytic water splitting. However, seawater has detrimental effects on the stability and activity of the hydrogen evolution reaction (HER) electrocatalysts under different pH conditions. In this work, we report the synthesis of binary metallic core-sheath nitride@oxynitride electrocatalysts [Ni(ETM)]δ+-[O-N]δ-, where ETM is an early transition metal V or Cr. Using NiVN on a nickel foam (NF) substrate, we demonstrate an HER overpotential as low as 32 mV at -10 mA cm-2 in saline water (0.6 M NaCl). The results represent an advancement in saline water HER performance of earth-abundant electrocatalysts, especially under near-neutral pH range (i.e., pH 6-8). Doping ETMs in nickel oxynitrides accelerates the typically rate-determining H2O dissociation step for HER and suppresses chloride deactivation of the catalyst in neutral-pH saline water. Heterointerface synergism occurs through H2O adsorption and dissociation at interfacial oxide character, while adsorbed H* proceeds via Heyrovsky or Tafel step on the nitride character. This electrocatalyst showed stable performance under a constant current density of -50 mA cm-2 for 50 h followed by additional 50 h at -100 mA cm-2 in a neutral saline electrolyte (1 M PB + 0.6 M NaCl). Contrarily, under the same conditions, Pt/C@NF exhibited significantly low performance after a mere 4 h at -50 mA cm-2. The low Tafel slope of 25 mV dec-1 indicated that the reaction is Tafel limited, unlike commercial Pt/C, which is Heyrovsky limited. We close by discussing general principles concerning surface charge delocalization for the design of HER electrocatalysts in pH saline environments.