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Nanorod Array-Based Hierarchical NiO Microspheres as a Bifunctional Electrocatalyst for a Selective and Corrosion-Resistance Seawater Photo/Electrolysis System

双功能 电催化剂 析氧 催化作用 化学工程 分解水 材料科学 电解 阳极 无机化学 电化学 化学 电极 有机化学 物理化学 光催化 工程类 电解质
作者
Khadijeh Hemmati,Ashwani Kumar,Amol R. Jadhav,Omran Moradlou,Alireza Z. Moshfegh,Hyoyoung Lee
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (8): 5516-5528 被引量:67
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c00510
摘要

Utilizing earth-abundant seawater over scarce freshwater for hydrogen fuel production via water electrolysis is a promising/sustainable strategy. However, the serious anodic corrosion due to the competing chloride oxidation reaction significantly hampers the overall stability of the electrolyzer. Therefore, it demands an efficient and robust catalyst with high selectivity and corrosion resistance for direct seawater splitting. Here, we present a bifunctional catalyst developed by morphology engineering to form nanorod array-based hierarchical NiO microspheres (NRAHM-NiO) as a three-dimensional (3D) hierarchical oxide/hydroxide urchin-like structure material for highly selective seawater splitting against chloride oxidation. Benefitting from highly intrinsic electroactive sites, good charge transferability, fast-releasing gas bubbles, and corrosion resistance as well as hydrophilic surface, the NRAHM-NiO exhibits outstanding bifunctional hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) catalytic activity toward selective and durable overall seawater splitting. The system requires small cell voltages of 1.66 and 2.01 V to drive current densities of 100 and 500 mA cm–2 at room temperature, respectively. Such catalytic activity is superior compared to the benchmark Pt/C(−)||Pt/C(+) and Pt/C(−)||IrO2(+) pair systems. Importantly, this device demonstrates specific stability as well as selectivity toward the OER in seawater with 99% faradaic efficiency without forming any chlorine species. The experimental results are well supported by density functional theory (DFT) calculations. Powered by a single solar cell, the integrated photolysis system shows 9.9% solar-to-hydrogen (STH) efficiency.
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