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Bio-inspired nickel–iron-based organogel: an efficient and stable bifunctional electrocatalyst for overall water splitting at high current density

双金属片 电催化剂 双功能 材料科学 铂金 分解水 金属 化学工程 无机化学 催化作用 化学 冶金 电化学 电极 物理化学 有机化学 工程类 光催化
作者
Debasish Ghosh,Subhransu Maharana,Asit Baran Panda
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:17 (20): 12880-12893 被引量:2
标识
DOI:10.1039/d5nr00589b
摘要

Developing a platinum group metal (PGM) free electrocatalyst remains a prime challenge for cost effective green hydrogen (H2) production. Herein, mimicking the PS II catalyst, a bimetallic organogel of nickel (Ni2+), iron (Fe3+) and benzotriazole (NiFe-gel) is developed as an efficient electrocatalyst. The developed synthetic strategy is simple and scalable, and most importantly, no binder is required for gel-loaded electrode preparation. The respective gel-based electrode showed excellent bifunctionality, in both the oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER), water electrolysis activity in low and high current density (η10: 110 mV and η1000: 260 mV for the OER and η10: 88 mV and η1000: 324 mV for the HER), low Tafel slope and outstanding stability for 100 h at a current density of 1 A cm-2. The two-electrode electrolyser using the developed NiFe-gel in the anode and cathode setups for overall water splitting attained current densities of 10 mA cm-2 and 1 A cm-2 at potentials of 1.49 V and 1.89 V, respectively. Most significantly, NiFe-gel loaded anion exchange membrane based 4 cm2 alkaline water electrolysis (AEMAWE) attained a current density of 1.08 A cm-2 at 50 °C and 2 V and showed stability for at least 100 h. Very nominal performance reduction was observed upon scale-up of the electrolyser from 4 cm2 to 9 cm2, and the performance was better than the targeted AEMAWE performance of ≥1 A cm-2 at 2 V. This excellent performance is attributed to the synergistic electronic interaction between Fe3+ and Ni2+, interaction of nitrogen rich triazole moieties attached to the metal site, similar to the PS II system, and porous electrode microstructure. Thus, the NiFe-gel might be a potential PGM-free electrocatalyst for industrial scale hydrogen production through water electrolysis.
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