Wasserstoff hat aufgrund seiner intrinsischen Umweltverträglichkeit, seines Vorkommens und seiner hohen Energiedichte (120 MJ kg−1) als Energiequelle große Aufmerksamkeit von Wissenschaft und Industrie auf sich gezogen. Die elektrokatalytische Wasserspaltung ist ein umweltfreundlicher Weg zur Herstellung von Wasserstoff, insbesondere wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt, die die Kohlendioxidemissionen während des gesamten Prozesses minimieren.
Die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) an der Anode und die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) an der Kathode sind zwei Halbreaktionen bei der elektrokatalytischen Wasserspaltung. Pt- und Ru/Ir-basierte Verbindungen sind die bekanntesten Hochleistungs-Edelmetall-Elektrokatalysatoren für HER bzw. OER. Die Knappheit und die hohen Kosten solcher Edelmetalle behindern jedoch ihre Anwendung in der Wasserelektrolyse. Daher ist es angesichts globaler Aussichten unerlässlich, auf der Erde reichlich vorhandene Nichtedelmetall-Elektrokatalysatoren für Wasserspaltungstechnologien der nächsten Generation zu entwickeln. Kürzlich wurde bestätigt, dass Elektrokatalysatoren auf Ni-Basis zur Steigerung der elektrokatalytischen Wasserspaltung wirksam sind, aber ihre Leistung ist nicht hoch genug für eine großtechnische Wasserstoffproduktion.
Ein Team in China hat erfolgreich Mn-dotiertes Ni2O3/Ni2P und Mn-dotiertes NixSy/Ni2P durch einfache hydrothermale Reaktion und anschließende Phosphorisierungs- und Schwefelungsverfahren hergestellt.
Die Peaks der Röntgenbeugung (XRD) von Mn-dotiertem NixSy/Ni2P und Mn-dotiertem Ni2O3/Ni2P zeigen, dass Mn-dotiertes NixSy/Ni2P aus NixSy und Ni2P besteht, während Mn-dotiertes Ni2O3/Ni2P aus Ni2O3 und Ni2P besteht . Außerdem zeigen die Bilder der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) beide die Mikrostruktur der Nanoblätter von Mn-dotiertem Ni2O3/Ni2P und Mn-dotiertem NixSy/Ni2P. Dennoch werden die Heterostrukturen von Ni2O3/Ni2P und NixSy/Ni2P durch die hochauflösenden TEM-Bilder bestätigt.
Mn-dotiertes Ni2O3/Ni2P profitierte von der elektronischen Modulation und zahlreichen aktiven Zentren und zeigte eine überlegene HER-Aktivität mit einer Stromdichte von −10 mA cm−2 bei einer niedrigen Überspannung von 104 mV. Währenddessen erreichte Mn-dotiertes NixSy/Ni2P eine Stromdichte von 100 mA cm−2 bei einem niedrigen Überpotential von 290 mV für OER und zeigte ein nahezu konstantes Potential bei 50 mA cm−2 für 160 h. Interessanterweise benötigte die aus diesen beiden Elektrokatalysatoren konstruierte Elektrolysezelle eine Zellspannung von nur 1.65 V, um 10 mA cm−2 mit überlegener Stabilität bei 50 mA cm−2 für 120 h zu liefern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch die Kombination von drei Strategien, Mn-Dotierung, Heterostruktur-Engineering und Anwendung von 3D-Nanoblatt-Arrays, Mn-dotiertes Ni2O3/Ni2P und Mn-dotiertes NixSy/Ni2P erfolgreich durch eine einfache hydrothermale Reaktion mit anschließender Phosphorisierung hergestellt werden von Mn-dotiertem NixSy/Ni2P, Schwefelung. Hohe intrinsische Aktivitäten werden durch elektronische Modulation der Heterostrukturen und Mn-Dotierung ermöglicht, während zahlreiche aktive Zentren durch vergrößerte aktive Oberflächenbereiche der 3D-Nanoblatt-Arrays garantiert werden. Die Kombination verstärkt kumulativ die elektrokatalytischen Aktivitäten in Richtung HER, OER und Gesamtwasserspaltung.
Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche China-Materialien.
Yuanzhi Luo et al, Simultanes Heterostruktur-Engineering und Mn-Dotierungsmodulation von Ni2P-Nanoblatt-Arrays für verbesserte elektrokatalytische Wasserspaltung, Wissenschaftliche China-Materialien (2022). DOI: 10.1007/s40843-021-1953-5