Design Criteria, Operating Conditions, and Nickel–Iron Hydroxide Catalyst Materials for Selective Seawater Electrolysis

过电位 电解 无机化学 化学 海水 氢氧化物 析氧 分解水 催化作用 塔菲尔方程 氯化物 选择性 电解水 氧化还原 电解质 电化学 电极 有机化学 物理化学 地质学 海洋学 光催化
作者
Fabio Dionigi,Tobias Reier,Zarina Pawolek,Manuel Gliech,Peter Strasser
出处
期刊:Chemsuschem [Wiley]
卷期号:9 (9): 962-972 被引量:842
标识
DOI:10.1002/cssc.201501581
摘要

Seawater is an abundant water resource on our planet and its direct electrolysis has the advantage that it would not compete with activities demanding fresh water. Oxygen selectivity is challenging when performing seawater electrolysis owing to competing chloride oxidation reactions. In this work we propose a design criterion based on thermodynamic and kinetic considerations that identifies alkaline conditions as preferable to obtain high selectivity for the oxygen evolution reaction. The criterion states that catalysts sustaining the desired operating current with an overpotential <480 mV in alkaline pH possess the best chance to achieve 100 % oxygen/hydrogen selectivity. NiFe layered double hydroxide is shown to satisfy this criterion at pH 13 in seawater-mimicking electrolyte. The catalyst was synthesized by a solvothermal method and the activity, surface redox chemistry, and stability were tested electrochemically in alkaline and near-neutral conditions (borate buffer at pH 9.2) and under both fresh seawater conditions. The Tafel slope at low current densities is not influenced by pH or presence of chloride. On the other hand, the addition of chloride ions has an influence in the temporal evolution of the nickel reduction peak and on both the activity and stability at high current densities at pH 9.2. Faradaic efficiency close to 100 % under the operating conditions predicted by our design criteria was proven using in situ electrochemical mass spectrometry.
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