Water Splitting Electrocatalysts in Acidic Media: in the Search of Non-noble Metal Alternatives

Abstract

L'electròlisi de membrana d'intercanvi de protons (PEM) és una tecnologia comercialment madura i sostenible per a la producció d'hidrogen en àcid, però la manca de materials basats en metalls no nobles tant a l'ànode com al càtode dificulta la seva aplicació a gran escala . Per tant, la recerca d'electrocatalitzadors eficients per a l'evolució d'hidrogen i oxigen treballant en àcid és molt important i urgent.

L'entorn ric en protons és favorable per a la reacció d'evolució d'hidrogen al càtode. En primer lloc, desenvolupem una nova tècnica per crear un nou nanocompost híbrid que inclou nanopartícules de POM en nanolàmines 2D MXene, que exhibeixen un excel·lent rendiment electrocatalític HER en solució de H2SO4. Obre una via per dissenyar electrocatalitzadors HER de metalls no preciosos altament eficients i duradors al mig àcid amb heteroestructures úniques.

D'altra banda, l'evolució d'oxigen àcid a l'ànode és un desafiament seriós per als catalitzadors OER que treballen sota un alt potencial, cosa que condueix a la desactivació i dissolució. Tant per mantenir l´alta activitat d´un catalitzador com per estabilitzar el seu rendiment en àcid, presentem un protocol de processament prometedor, que incorpora en un ànode un catalitzador OER derivat de MOF nanoestructurat actiu (Co3O4@C) i un aglutinant parcialment hidrofòbic conductor com el Suport fabricat amb oli de parafina i pols de grafit per a la seva protecció. Aquest protocol ofereix ànodes robusts que mostren un excel·lent rendiment d'OER àcid. Juntament amb aquesta estratègia viable i eficient, també s'ha dut a terme un estudi exhaustiu de l'activitat i l'estabilitat dels òxids de metalls de transició abundants a terra monometàl·lics, binaris i ternaris basats en elements abundants a terra (Mn, Fe, Co , Ni, Zn). durant l'electrocatàlisi OER en condicions fortament àcides. Els nostres resultats confirmen la validesa general de l'estratègia en l'ús d'un elèctrode parcialment hidrofòbic per donar alta estabilitat als òxids de metalls comuns en aquestes dures condicions.

Aquestes troballes completes i interessants serien útils a l'explotació d'electrocatalitzadors abundants a terra per a la divisió de l'aigua àcida.

La electrólisis de membrana de intercambio de protones (PEM) es una tecnología comercialmente madura y sostenible para la producción de hidrógeno en ácido, pero la falta de materiales basados en metales no nobles tanto en el ánodo como en el cátodo dificulta su aplicación a gran escala. Por lo tanto, la búsqueda de electrocatalizadores eficientes para la evolución de hidrógeno y oxígeno trabajando en ácido es de gran importancia y urgencia.

El entorno rico en protones es favorable para la reacción de evolución de hidrógeno en el cátodo. En primer lugar, desarrollamos una nueva técnica para crear un nuevo nanocompuesto híbrido que incluye nanopartículas de POM en nanoláminas 2D MXene, que exhiben un excelente rendimiento electrocatalítico HER en solución de H2SO4. Abre una vía para diseñar electrocatalizadores HER de metales no preciosos altamente eficientes y duraderos en medio ácido con heteroestructuras únicas.

Por otro lado, la evolución de oxígeno ácido en el ánodo es un serio desafío para los catalizadores OER que trabajan bajo un alto potencial, lo que conduce a la desactivación y disolución. Tanto para mantener la alta actividad de un catalizador como para estabilizar su rendimiento en ácido, presentamos un protocolo de procesamiento prometedor, que incorpora en un ánodo un catalizador OER derivado de MOF nanoestructurado activo (Co3O4@C) y un aglutinante parcialmente hidrofóbico conductor como el Soporte fabricado con aceite de parafina y polvo de grafito para su protección. Este protocolo ofrece ánodos robustos que muestran un excelente rendimiento de OER ácido. Junto con esta estrategia viable y eficiente, también se ha llevado a cabo un estudio exhaustivo de la actividad y la estabilidad de los óxidos de metales de transición abundantes en tierra monometálicos, binarios y ternarios basados en elementos abundantes en tierra (Mn, Fe, Co, Ni, Zn). durante la electrocatálisis OER en condiciones fuertemente ácidas. Nuestros resultados confirman la validez general de la estrategia en el uso de un electrodo parcialmente hidrofóbico para conferir alta estabilidad a los óxidos de metales comunes en estas duras condiciones.

Estos hallazgos completos e interesantes serían útiles en la explotación de electrocatalizadores abundantes en tierra para la división del agua ácida.

Proton Exchange Membrane (PEM) electrolysis is a commercially mature and sustainable technology for hydrogen production in acid but the lack of non-noble metal-based materials on both anode and cathode hinders its application in a large scale. Therefore, to search for efficient electrocatalysts for hydrogen evolution and oxygen evolution working in acid is of great importance and urgency.

Proton-rich surrounding is favorable for hydrogen evolution reaction on the cathode, we firstly developed a new technique for creating a novel hybrid nanocomposite that include POM nanoparticles on 2D MXene nanosheets, exhibiting excellent HER electrocatalytic performance in H2SO4 solution. It opens an avenue for designing a highly efficient and durable non-precious-metal HER electrocatalysts in acidic medium with unique heterostructures.

On the other hand, acidic oxygen evolution on the anode is a serious challenge for OER catalysts working under high potential, which leads to deactivation and dissolution. Both to keep the high activity of a catalyst and stabilize its performance in acid, we present a promising processing protocol, which incorporates into one anode an active nanostructured MOF-derived OER catalyst (Co3O4@C) and a conducting, partially hydrophobic binder as the support made from paraffin oil and graphite powder for protection. This protocol delivers robust anodes that exhibit excellent acidic OER performances. Along with this viable and efficient strategy, an extensive survey of the activity and stability of monometallic, binary and ternary earth-abundant transition metal oxides based on earth abundant elements (Mn, Fe, Co, Ni, Zn) have also been conducted during electrocatalytic OER in strongly acidic conditions. Our results confirm the general validity of the strategy in using a partially hydrophobic electrode to confer high stability to common metal oxides under these harsh conditions.

These comprehensive and interesting findings would be helpful in the exploitation of earth-abundant electrocatalysts for acidic water splitting.