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ACS applied materials & interfaces2024May26Vol.issue()

高電流密度での水分割のための自己サポート電極としての扱いにくいバルクni-mo合金上の二相性ホウ素電子触媒のin situ構造

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文献タイプ:
  • Journal Article
概要
Abstract

ニッケル - モリブデン - ボロン(Ni-Mo-B)ベースの二相界面を備えた触媒は、アルカリ水分解における二機能性電気触媒活性において非常に有利です。ただし、触媒に安定した接着を提供する多孔質Ni-Mo合金基質を取得することは、継続的な課題であり、高電流密度での二機能性自己サポート電極の長期性能を確保します。本明細書では、高エネルギーの結晶面を備えた市販のNi-MO合金での費用対効果の高い取引プロセスによって、多孔質Ni-Mo合金基板が効果的に得られた。その後、Mo2Nib2/Ni3B二機能触媒を、熱心な熱処理を介してこの基質上でその場で合成され、優れた触媒活性と安定性をもたらしました。密度汎関数理論(DFT)計算は、Mo2Nib2/Ni3b触媒の豊富な二相界面と表面再構築された部位が、それぞれ水素進化反応(HE)と酸素進化反応(OER)のエネルギー障壁を減少させる可能性があることを明らかにしています。したがって、設計された自己サポート電極は、現在の10 mA cm-2の密度で151 mV、OERで260 mVの過方向性を備えた二機能性触媒活性を示します。著しく、組み立てられた水電解器は1.64 Vで最大10 mA cm-2まで駆動し、1000 mA cm-2の高電流密度で触媒活性を100時間維持できます。この新しい戦略は、高い活動と優れた安定性を備えた自己サポートの二機能電極を設計し、水素エネルギー技術の開発に貢献するための低コストのスキームを提供することが期待されています。

ニッケル - モリブデン - ボロン(Ni-Mo-B)ベースの二相界面を備えた触媒は、アルカリ水分解における二機能性電気触媒活性において非常に有利です。ただし、触媒に安定した接着を提供する多孔質Ni-Mo合金基質を取得することは、継続的な課題であり、高電流密度での二機能性自己サポート電極の長期性能を確保します。本明細書では、高エネルギーの結晶面を備えた市販のNi-MO合金での費用対効果の高い取引プロセスによって、多孔質Ni-Mo合金基板が効果的に得られた。その後、Mo2Nib2/Ni3B二機能触媒を、熱心な熱処理を介してこの基質上でその場で合成され、優れた触媒活性と安定性をもたらしました。密度汎関数理論(DFT)計算は、Mo2Nib2/Ni3b触媒の豊富な二相界面と表面再構築された部位が、それぞれ水素進化反応(HE)と酸素進化反応(OER)のエネルギー障壁を減少させる可能性があることを明らかにしています。したがって、設計された自己サポート電極は、現在の10 mA cm-2の密度で151 mV、OERで260 mVの過方向性を備えた二機能性触媒活性を示します。著しく、組み立てられた水電解器は1.64 Vで最大10 mA cm-2まで駆動し、1000 mA cm-2の高電流密度で触媒活性を100時間維持できます。この新しい戦略は、高い活動と優れた安定性を備えた自己サポートの二機能電極を設計し、水素エネルギー技術の開発に貢献するための低コストのスキームを提供することが期待されています。

Nickel-molybdenum-boron (Ni-Mo-B)-based catalysts with biphasic interfaces are highly advantageous in bifunctional electrocatalytic activity in alkaline water-splitting. However, it remains an ongoing challenge to obtain porous Ni-Mo alloy substrates that provide stable adhesion to catalysts, ensuring the long-term performance of bifunctional self-supporting electrodes at a high current density. Herein, a porous Ni-Mo alloy substrate was effectively obtained by a cost-effective dealloying process on a commercial Ni-Mo alloy with high-energy crystal planes. Subsequently, the Mo2NiB2/Ni3B bifunctional catalyst was in situ synthesized on this substrate via boriding heat treatment, resulting in outstanding catalytic activity and stability. Density functional theory (DFT) calculations reveal that the abundant biphasic interfaces and surface-reconstructed sites of the Mo2NiB2/Ni3B catalyst can decrease the energy barriers for the hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER), respectively. Thus, the designed self-supporting electrodes show bifunctional catalytic activity with overpotentials of 151 mV for HER and 260 mV for OER at a current density of 10 mA cm-2. Markedly, the assembled water electrolyzer can be driven up to 10 mA cm-2 at 1.64 V and maintain catalytic activity at a high current density of 1000 mA cm-2 for 100 h. The new strategy is expected to provide a low-cost scheme for designing self-supporting bifunctional electrodes with high activity and excellent stability and contribute to the development of hydrogen energy technology.

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