目前，不可再生燃料资源迅速枯竭所导致的能源短缺，是全球最紧迫的挑战之一。由于氢的高能量密度以及在其处理过程中对环境的影响很小，因此，通过电化学水分解从水中生产清洁的氢和氧，成为一种很有前景的解决方案。其中，阳极析氧反应（OER）和阴极析氢反应（HER）的两个电化学水分解反应都需要很高的活化过电压（η）。为了更有效和经济的实现电解水，研究人员已经开发了许多催化剂来减少过电位。尽管贵金属是用于水分解的最先进的催化剂（例如，用于HER的Pt和用于OER的IrO2），但是高成本和稀缺性严重阻碍了其工业应用。因此，许多研究都致力于开发地球上资源丰富的材料，用于开发具有成本效益的HER和OER催化剂，例如层状双氢氧化物、钙钛矿化合物、尖晶石化合物和过渡金属氧化物用于OER，以及硫化物、硒化物、金属碳化物、氮化物和磷化物用于HER。然而，在实际应用中，将两个电极反应配对通常会由于多个操作过程和设备集成而需要额外的成本。还需要考虑每种电催化剂的pH范围的不匹配，因为每种单独的催化剂都有自己的最佳pH范围，以实现其最稳定和最活跃的性能。因此，对HER和OER都具有高活性的双功能电催化剂是克服这些实际问题的关键。过渡金属化合物（例如，Fe，Co和Ni）及其氮化物、磷化物和氢氧化物与导电基质结合在一起，已被用作双功能催化剂，用于电化学装置中的水分解。尽管有这些过渡金属化合物都具有高活性，但其基材仍然受限于金属泡沫、碳布或半导体上。因此，把基材扩展到可量产、可持续的材料将具有很吸引人的前景。木材是地球上最丰富的自然资源。基于其纤维素框架和分层3D多孔结构，木材最近已在多种应用中用作生物基基材，例如电导体和离子导体、光学设备、节能建筑、结构材料和环境保护。它具有化学亲和力、高孔隙率、承载能力和对环境友好的特点。源自天然木材的碳化木（CW）价格低廉、导电性强、通道直且具有分层多孔结构，是一种制造各种能量存储设备（包括超级电容器、集电器和电池）中使用的高性能电极的理想选择。
鉴于此，东北林业大学李坚院士、谢延军教授团队联合马里兰大学李腾教授团队采用资源丰富且可再生的天然木材，通过在CW通道（Co / Ni-CW）内部使用Co / Ni二元纳米颗粒进行原位修饰，开发了可量产、低成本且高效率的CW电极，并完成了完整的水分解过程（图1）。该Co / Ni-CW有望成为一种用于电子应用、环境保护和能量储存的高效、低成本、可量产电极。该研究以题为“Carbonized Wood Decorated with Cobalt-Nickel Binary Nanoparticles as a Low-Cost and Efficient Electrode for Water Splitting”的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。
【钴-镍二元纳米粒子修饰的碳化木材】
天然木材是一种复杂的复合材料，其中大量定向良好的纤维素纤维被掺入了半纤维素和木质素基质中。由于天然木材具有独特的细胞壁结构和丰富的表面官能团，因此可以将Co（NO 3） 2和Ni（NO 3） 2混合物浸入所有木材通道中，并且可以通过金属离子与羟基之间的配位键作用，有效地锚固大量的Ni和Co离子在细胞壁上（图1b）。随后，作者首先将处理过的木材在惰性条件下的进行高温煅烧，将其转化为CW，其上均匀修饰着Co / Ni二元纳米颗粒（图1c）。具有多孔结构的CW可作为固定Co / Ni二元纳米颗粒的有效基质。
图1. 多孔结构和均匀分布的Ni / Co纳米颗粒碳化木电极的工作原理
【碳化木材的水分解性能】
受益于Co / Ni二元纳米粒子和独特的CW基材的协同效应，Co / Ni-CW电极具有比Co纳米粒子改性的CW（Co-CW）和Ni纳米粒子改性的CW（Ni-CW）更高的电化学活性表面积（ECSA）和更低的Tafel斜率。因此，Co / Ni-CW表现出显著提升的水分解性能，所需的过电压分别低至157和330 mV，以使HER和OER的电流密度分别达到10 mA cm–2，这与报道最多的镍、钴和铁基双功能电催化剂相当。出色的水分解性能源于具有均匀分布的Co / Ni纳米颗粒的多孔木结构，其为电子、离子和气体的有效传输提供了途径（图1c）。更重要的是，Co / Ni-CW电极被用作整体水分解的阴极和阳极，电池电压仅需1.64 V，就能达到10 mA cm-2的电流密度且具有合理的稳定性。作者基于自制的水分解设备，通过尺寸为2.5cm * 2.5cm * 0.8mm的Co / Ni-CW电极，在外部2.4 V的电压下，每分钟可产生约30毫升的氢气和约15毫升的氧气，该实验证明了其性能是用于碱性水分解的最高效的双功能电催化剂之一。
图2. a）浸入Co2+和Ni2+后的天然木材的照片和b）SEM图像。放大的SEM图像显示了多孔木结构。 c）高温碳化后的Co/Ni-CW照片。 d，e）Co/Ni-CW的横截面SEM图像显示了木材通道内Co/Ni二元纳米颗粒的均匀分布。 f）Co/Ni-CW的SEM俯视图显示碳化木材的多孔结构。 g）Co/Ni-CW的放大SEM图像显示，Co / Ni纳米粒子很好地沉积在通道壁中。 h）分布在通道壁上的C，O，Co和Ni的元素映射图像。
图3. a）碳化木材上负载的Co/Ni二元纳米颗粒的TEM图像和元素图。 b）Co/Ni二元纳米颗粒的粒度分析。 c）Co/Ni二元纳米颗粒的高分辨率TEM图像。 d）Co/Ni二元纳米颗粒的SAED图案。 e）制备好的样品的典型XRD图谱。 f，g）分别为Ni 2p3/2和Co 2p3/2的XPS模式。 h）制备后的木材样品的TG曲线，展示了碳化木材通道内Co/Ni二元纳米颗粒的负载量为18 wt％。
图4. a）通过对ECSA进行归一化，在Co/Ni-CW，Co-CW和Ni-CW上的OER极化曲线。 b）Co/Ni-CW与其他OER催化剂在电流密度为10 mA cm-2时的过电压比较。c）Co/Ni-CW，Co-CW的Tafel图， 和从（a）得到的Ni-CW。 d）通过对ECSA进行归一化，HER在Co/Ni-CW，Co-CW和Ni-CW上的极化曲线。 e）Co/Ni-CW与其他HER催化剂在电流密度为10 mA cm-2时的过电压比较。 f）从（d）中得出的Co/Ni-CW，Co-CW和Ni-CW的Tafel图。 g）电解水：HER过程中在Co / Ni-CW表面形成H *中间产物以及h）OER过程中在氧化的Co / Ni-CW表面生成OH *，O *和OOH *的示意图。 i）在Co / Ni-CW，Co-CW和Ni-CW表面的平衡电势下计算的HER自由能图。 j）在Co / Ni-CW，Co-CW和Ni-CW的氧化表面上处于平衡电势时通过OER计算的自由能图。
图5. a）两电极配置的示意图，其中将Co / Ni-CW用作阳极和阴极以进行水分解。 b）用于分解水的木质电极的两电极极化曲线。 c）Co / Ni-CW整体水分解的长期稳定性测试。 d）证明在电压为2.4 V时电极上析出的H2和O2气体的照片。所有测试中使用的电解质均为1.0 M KOH水溶液。 e）倒置离心管测量气体体积的照片。 f）比较电流密度为10 mA cm–2时的电池电压和基材成本
总结：作者采用廉价且环保的木质基材，将Co-Ni二元纳米颗粒沉积到定向的木质通道中，制备出高效的碳化木电极，可在低过电压下提供用于氧气和氢气的制备的电流密度。与双功能电催化剂中使用的大多数基材相比，该木基催化剂的资源丰富、成本低、对生态友好，而且易于操作，这些特性使其有望用于水分解和许多其他储能设备中的高效、可量产电极。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010951
来源：高分子科学前沿
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