掺钼镍磷纳米环促进海水电解制氢

燃烧化石燃料导致了全球能源危机，加剧了污染和气候变化。为了解决这个问题，我们必须探索更清洁的能源替代品。一个有前景的解决方案是使用由可再生电力驱动的水电解技术（电解器）来生产高纯度氢气（H₂）燃料

目前，大多数生产氢气的系统都依赖于纯水。然而，纯水的有限可用性使得很难扩大这项技术的规模。另一方面，覆盖地球表面约97%的海水提供了源源不断的氢气供应

尽管海水丰富，但由于其复杂的成分，使用海水生产氢气面临着挑战，其中包括大量的氯化物、钠和镁等盐

使用海水进行电解时会出现两个关键问题：

不必要的化学反应：海水中的氯往往比我们想要生产的氧气反应更快，从而产生竞争并降低效率。电极损坏：高氯化物含量会导致腐蚀，从而降低系统的效率和寿命

为了克服这些挑战，研究人员正在开发能够有效处理未经处理的海水的先进催化剂。这些催化剂将有助于优先生产氧气，同时抵抗与氯相关的损害，使从海水中大规模生产氢气更加实用

掺杂Ni2P电催化剂的故事

人们对开发用于水分解的贵金属催化剂的廉价替代品越来越感兴趣，这是一种用于生产清洁氢燃料的工艺。其中，过渡金属磷化物（TMPs）因其多功能的组成、优异的导电性和良好的电子性能而受到广泛关注

一种特别感兴趣的TMP是Ni2P（磷化镍）。尽管TMP具有潜力，但它们面临着诸多挑战，如活性位点数量有限、反应过程中的不稳定性以及氯相关反应（CER中毒）的干扰

为了解决这些问题，用钼（Mo）掺杂Ni2P显示出有希望的结果。钼和镍的结合产生了强烈的电子相互作用，更好地吸附了活性物种，并由于晶格畸变而改善了结构。然而，掺钼Ni2P的有限表面暴露仍然是充分优化其水分解催化性能的障碍

目前的发展

考虑到这些挑战，我们的团队由德里大学化学系的Sasanka Deka领导，开发了一种新型的纳米复合材料基电催化剂，该催化剂对海水裂解既高效又经济高效。我们通过形状工程开发了一种新型的环形（圆环或环形）掺钼Ni2P纳米粒子（NP）。

为了实现这一目标，我们采用了一种新的高温方法，旨在暴露更多的{0001}晶面。通过在350°C下增加封端剂和磷前体的量，我们诱导了强烈的Kirkendall效应，促进了向外扩散，最终导致球形Ni2P颗粒的中心部分消失，形成了环形颗粒

与传统的球形颗粒相比，这种独特的形状提供了更大的表面积和更高密度的不饱和表面原子，这得到了表面积与体积比方程的支持。这标志着首次成功制备单分散环状纳米颗粒，并将其用作直接海水电解（SWE）的电催化剂

我们的优化设计不仅引入了这些新型的环形掺钼Ni2P纳米粒子，而且在直接SWE应用中实现了整体水分解（OWS）的最低电池电压之一，以及出色的稳定性。我们的研究结果发表在《Small》杂志上

与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展

当Mo0.1Ni1.9P||Mo0.1Ni1.95 p对用作碱性环境中整体水分解的双功能电催化剂时，在10 mA/cm2的电流密度下，它在1.0 M KOH中只需要1.45 V，在碱性海水中只需要1.47 V。此外，该对表现出优异的稳定性，在碱性海水中以400mA/cm2的高电流密度保持性能超过80小时

作为概念验证，本研究还提供了一段使用本电解槽和Mo0.1Ni1.9P||Mo0.1Ni1.95 p耦合电极的直接太阳能到氢能的视频。在这里，一个自己动手的太阳能电池板套件直接连接到阳极和阴极，在那里沉积了一层Mo0.1Ni1.9P浆料

从亚马逊购买了一个商用太阳能电池模块（DIY用电子香料太阳能电池板，70毫米×70毫米），并将其用作发电机来驱动视频中的双电极电解槽。作者：与未掺杂的Ni2P和其他形状相比，掺杂钼的Ni2P纳米环在碱性电解质中的析氢反应（HER）和析氧反应（OER）中显示出显著增强的电化学性能。优化的Mo0.1Ni1.9P催化剂除了具有高周转频率、质量活性和交换电流密度外，还显示出低过电位和塔菲尔斜率

在25°C和75°C的1.81和1.86 V以及1.77和1.82 V的创纪录低电压下，实现了500和1000 mA/cm2的工业相关电流密度，用于整体碱性海水分解。催化剂在工业30wt%KOH条件下也高度稳定

总之，所有这些改进都归功于双活性金属中心和独特的环形形态。最新的合成方案引入了一种形状独特的掺钼Ni2P电催化剂，具有大规模工业生产的巨大潜力。它还为所涉及的表面化学机制提供了宝贵的见解

这个故事是Science X Dialog的一部分，研究人员可以在其中报告他们发表的研究文章中的发现。访问此页面了解有关Science X Dialog以及如何参与的信息 More information: Abhinav Yadav et al, Fine Tuning of Torus‐Shaped Mo‐Doped Ni₂P Nanorings for Enhanced Seawater Electrolysis, Small (2024). DOI: 10.1002/smll.202408036

Bio:

Dr. Sasanka Deka is Professor of Chemistry, University of Delhi. He received his Ph.D. degree from National Chemical Laboratory (NCL-Pune). He did his postdoctoral research from National Nanotechnology Laboratory, CNR-INFM, Lecce, Italy and Italian Institute of Technology (IIT), Genova, Italy. He has been awarded the TMS Foundation 2008 SHRI RAM ARORA AWARD, by the Minerals, Metals & Materials Society (TMS), Warrendale, USA; DAE-BRNS Young scientist research award 2011, RSC best oral talk–2015, Institute of Physics (IOP), UK best cited paper-India 2019, RSC best cited paper in 2020, and IoE-DU publication award. Dr. Deka has published more than 80 research papers in different international high impact journals, holds three patents, and also wrote two books and three book chapters published by an international publisher. He has successfully handled several extramural national and international research projects. His current research interest deals with synthetic nanochemistry, and advanced nanomaterials for energy conversion and storage.

Journal information: Small