鈷摻雜增強二硫化鉬納米片的電驅動析氧性能研究

位兵偉，申永慶，趙 敏，張 華

(太原理工大學 新材料工程技術研究中心，太原 030024)

隨著工業的快速發展，人們對能源的需求量也不斷增加。然而化石能源的大量使用會引發一系列問題，如溫室效應、環境污染等[1-4]。因此，人們迫切需要開發清潔能源以降低對于傳統化石能源的依賴，電驅動裂解水作為一種制備H2和O2的有效手段，有望實現清潔能源的高效利用[5]。電解水的核心包括兩個電化學過程：陰極的H2析出反應(HER)和陽極的O2析出反應(OER).相比較于HER，OER需要施加更大的過電位，才能產生一個氧氣分子。因此，OER被認為是整個電化學裂解水過程的速控步[6]，OER進行的是多步電子轉移過程，其反應速率緩慢且過電位高，嚴重制約了電解水的發展。OER機理通常被認為[7]:

在酸性電解質中：

M+H2O→M—OH+H++e-,

(1)

M—OH→M—O+H++e-.

(2)

2M—O→O2+2M或
M—O+H2O→MOOH+H++e-,

(3)

MOOH+H2O→M+O2+H++e-.

(4)

在堿性電解質中:

M+OH-→M—OH-,

(1)

M—OH+OH-→M—O+H2O+e-.

(2)

2MO→O2+2M或
MO+OH-→MOOH+e-,

(3)

MOOH+OH-→M+H2O+O2+e-.

(4)

其中，M代表金屬元素，在不同的電解質中均能產生金屬-氧(M—O)中間體，該中間體可通過兩種不同的方式形成O2，第一種方式是2個M—O中間體結合產生O2，另一種是M—O先形成M—OOH中間體，再形成O2.O2析出涉及4個電子轉移過程，M—O鍵斷裂過程的動力學非常緩慢，在電解水陽極反應中具有較高的過電位，消耗的能量較高，根據Sabatier原理，當電催化劑表面與O的成鍵強度太弱時，不易形成中間產物HO*；當電催化劑表面與O的成鍵強度太強時，不利于HO*進一步反應生成HOO*；只有電催化劑表面與O的成鍵強度適中才有利于提高OER活性[8]。因此高效的電解水析氧的關鍵因素是催化劑的制備，使反應在較低過電勢下進行，從而有效降低反應過程所需的能耗。……