文章信息
熔盐电解一步可控制备3D结构自支撑型Al3Ni2/Ni电极用于高效水分解
第一作者：华中胜副教授
通讯作者：何世伟博士、赵卓教授
单位：安徽工业大学，代尔夫特理工大学
研究背景
随着化石能源的日渐枯竭和环境污染的不断加重，开发清洁可再生的新能源已成为世界各国发展所面临的首要问题。氢能作为一种清洁高效、可再生的能源载体，是解决当前的能源危机实现可持续发展的理想能源。
目前，电解水制氢被认为是制备氢气的有效方法。由于电解水制氢过程中析氢反应的过电位很高，极大限制了电解制氢的大规模商业化应用。因此，设计和开发一种高催化活性、廉价的电催化析氢电极是当前电解水制氢需要解决的重要问题。
文章简介
基于此，安徽工业大学有色金属冶金团队与荷兰代尔夫特理工大学杨永祥教授合作，在国际期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“One-step controllable fabrication of 3D structured self-standing Al3Ni2/Ni electrode through molten salt electrolysis for efficient water splitting”的研究文章。
该研究通过熔盐电解这一步工序，成功制备出了物相和形貌可控的自支撑型Al3Ni2/Ni催化析氢电解，该电极表面由微米级和纳米级Al3Ni2颗粒组成，具有独特的3D菜花状微观结构。该电极在0.5 M硫酸溶液中表现出可与Pt相比拟的优异电催化性能。
本文要点
要点一：Al3+在Ni电极上的电化学还原机理
采用暂态电化学测试技术（循环伏安、方波伏安、计时电位和开路计时电位）对NaCl-KCl熔盐中Al3+在Ni电极上的电化学行为进行了深入研究，并计算得到了不同Al-Ni金属间化合物的相关热力学参数。
Fig. 1. Cyclic voltammograms measured on tungsten electrode (a) and nickel electrode (b) in NaCl-KCl eutectic melt before (blue dotted line) and after (red solid line) the addition of 0.5 mol% AlCl3; (c) Cyclic voltammogram in the scan range of - 0.20 ~ -1.20 V attained on nickel electrode in molten NaCl-KCl-AlCl3(0.5 mol%). (d) Square wave voltammogram attained in the NaCl-KCl-AlCl3 (0.5 mol%) melt at 700 ℃ on nickel electrode. (e) Chronopotentiograms measured at different current intensities on nickel electrode in the NaCl-KCl-AlCl3(0.5 mol%) melt at 700 ℃. (f) Open circuit chronopotentiogram attained on nickel electrode after electrolysis at - 2.60 V for 60 s in the NaCl-KCl-AlCl3(0.5 mol%) melt at 700 ℃.
要点二：Al3Ni2/Ni电极的可控制备及结构表征
通过控制熔盐电解的电极电位，使Al在Ni基体上发生欠电位沉积并合金化为Al-Ni合金镀层，结合电化学还原机理、物相组成和微观结构分析，研究了Ni基体上Al-Ni合金镀层的形成机理和富Al相Al3Ni2镀层的可控制备
然后采用高倍透射电镜（HRTEM）和X射线光电子能谱（XPS）对Al3Ni2/Ni电极的微观结构和表面元素化学状态进行了研究，证实了采用熔盐电解一步可控制备Al3Ni2/Ni自支撑型电极的可行性。
Fig. 2. (a) XRD patterns of the deposits obtained on nickel plate in molten NaCl-KCl-AlCl3(0.5 mol%) by potentiostatic electrolysis at 700 ℃. (b) Surface morphology, (c) TEM, (d) HRTEM and (e) HAADF-STEM and corresponding EDS mapping images of Al3Ni2/Ni sample fabricated by potentiostatic electrolysis at -1.2 V for 5 h. Inset in (b) shows the high resolution SEM image, and inset in (d) is the corresponding FFT patterns.
Fig. 3. XPS spectra of Al3Ni2/Ni electrode: (a) survey, (b) Ni 2p, (c) Al 2p (Ni 3p) and (d) O 1s.
Fig. 4. Schematic illustration of the possible formation mechanism of Al-Ni alloy deposit on nickel.
要点三：Al3Ni2/Ni电极的电催化性能
所制备的Al3Ni2/Ni电极可直接用于电催化析氢反应，在0.5 M硫酸电解质中表现出优异的电解水催化性能：10 mA cm-2的电流密度下的HER过电位为83.4 mV（仅比Pt高37.9 mV）,Tafel斜率仅为40.7 mV dec-1,并具有良好的稳定性。
Fig. 5. Electrocatalytic performance of prepared electrodes in 0.5 M H2SO4: (a) IR-corrected polarization curves of Al3Ni2/Ni, commercial Pt, Ni and Al; (b) zoom-in image of (a) showing overpotentials at current densities of 10 mA cm-2 and 20 mA cm-2; (c) Tafel plots derived from the polarization curves in (a); (d) Nyquist plots of Al3Ni2/Ni and Ni electrodes measured under overpotential of -75 mV.
要点四：Al3Ni2/Ni电极的电催化机理
进一步的机理研究表明：所制备的电极表面富含高催化特性的Al3Ni2相，由微米和纳米级颗粒组成的独特的3D菜花状结构赋予了电极巨大的比表面积，自支撑型结构增强了电极的电荷传输能力，生成的气泡易于脱离电极表面而逸出，这些原因综合在一起有效提高了Al3Ni2/Ni电极的催化活性。
Fig. 6. Schematic illustration of the electrocatalytic mechanism toward HER for Al3Ni2/Ni cathode in acid media.
文章链接
One-step controllable fabrication of 3D structured self-standing Al3Ni2/Ni electrode through molten salt electrolysis for efficient water splitting
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131743
原文刊载于【科学材料站】公众号
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