助力高性能全无铂AEM电解槽
助力高性能全无铂AEM电解槽
随着全球对清洁能源的需求日益增长，电解水制氢作为一种可持续的能源转换技术，受到了广泛关注。传统的电解槽通常采用铂族金属（PGM）作为催化剂，然而，铂族金属的高成本和稀缺性限制了其大规模应用。因此，开发高性能、全无铂族金属（PGM-free）的电解槽成为当前研究的热点。本研究旨在探索碳负载NiMo催化剂在碱性电解槽（AEM）中的氢析出反应（HER）性能，通过设计和优化催化剂的结构与组成，实现高性能的PGM-freeAEM电解槽。
研究背景
NiMo催化剂因其优异的HER性能和成本效益而备受瞩目。研究表明，Ni与Mo之间的电子协同效应能够改善氢的结合能和本征活性，从而提高HER性能。此外，NiMo催化剂的高比表面积和Mo在高pH条件下的溶解，也有助于提高其催化活性。然而，催化剂的性能还受到其载体材料的影响。碳材料作为催化剂载体，能够影响催化剂的分散度、稳定性和电化学性能。因此，本研究选择了几种不同的碳载体材料（包括KetjenBlack、Vulcan和MWCNT-COOH），以探究其对NiMo催化剂结构和电化学性能的影响。
研究要点
催化剂的合成与表征：本研究采用了一种简单且易于扩展的合成方法，通过水热微波辅助步骤和随后的热氢还原步骤制备NiMo催化剂。利用透射电子显微镜（TEM）、扫描透射电子显微镜（STEM）-能量色散X射线光谱（EDX）等表征手段，对催化剂的结构和组成进行了详细分析。
载体材料的影响：通过改变碳载体材料，研究了其对NiMo催化剂电化学性能的影响。利用BET法测定了载体材料和催化剂的比表面积，并通过X射线衍射（XRD）分析了催化剂的晶相结构。
电化学性能评估：采用旋转圆盘电极（RDE）和膜电极组件（MEA）两种方法，评估了不同催化剂的HER性能。通过线性扫描伏安法（LSV）测定了催化剂的过电位和电流密度，并通过Tafel斜率分析了催化剂的反应动力学。
催化剂层形成与优化：研究了催化剂层形成过程中碳载体的作用，包括催化剂颗粒的分散度、反应物和产物的质量传输以及电极的导电性和离子传导性。通过优化催化剂层的形成，提高了催化剂在MEA中的性能。
图文解析
图1：展示了NiMo基支持和非支持阴极催化剂的合成方案。通过水热微波辅助步骤和随后的热氢还原步骤制备催化剂，并利用TEM和STEM-EDX对不支持的NiMo催化剂进行了表征。
表1：列出了不同粉末催化剂的Ni和Mo总负载量以及镍与钼的摩尔比。
表2：展示了纯载体材料和NiMoHER催化剂的BET比表面积。
图2：通过SEM和XRD分析了不支持和支持的NiMo催化剂的形貌和晶相结构。
图3：展示了所有制备的催化剂在几何面积归一化和催化剂质量归一化下的LSV曲线。
图4：比较了不同催化剂在MEA设置下的性能，以及NiMo/KB催化剂在不同负载量下的性能。
研究结论
不同碳载体材料对NiMo催化剂的电化学性能有显著影响。其中，KetjenBlack作为载体的NiMo催化剂表现出最佳的HER性能，具有较低的过电位和较高的电流密度。
催化剂的负载量对其电化学性能也有重要影响。通过优化催化剂的负载量，可以进一步提高其HER性能。
在MEA设置中，碳载体的性质对催化剂层形成和电极性能具有显著影响。优化催化剂层的形成，可以提高催化剂在MEA中的性能。
NiMo催化剂的本征活性较高，但与商业Pt/C催化剂相比仍有一定差距。通过进一步优化催化剂的结构和组成，有望进一步提高其HER性能。
本研究为高性能全无铂族金属AEM电解槽的开发提供了新的思路和方法。通过设计和优化碳负载NiMo催化剂的结构与组成，实现了较高的HER性能。然而，仍有许多方面需要进一步研究和改进，深入研究Ni与Mo之间的电子协同效应以及碳载体对催化剂性能的影响机制，为催化剂的进一步优化提供理论基础。探索其他高性能、低成本的非贵金属催化剂材料，以进一步提高电解槽的性能和降低成本。优化催化剂层形成过程，提高催化剂在电极中的分散度和稳定性，以及电极的导电性和离子传导性。开展大规模电解槽实验，验证催化剂在实际应用中的性能和稳定性，为商业化应用奠定基础。综上所述，本研究为高性能全无铂族金属AEM电解槽的开发提供了重要的参考和借鉴，也为未来清洁能源技术的发展做出了贡献。
本文原文来自h2core.cn