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為什么近期LDH的電催化應用頻登頂刊？

先豐納米 2025-03-25 | 閱讀：731

近年來,，層狀雙金屬氫氧化物（LDH）由于具有可調(diào)的化學組成,、優(yōu)異的電子傳遞能力、大的比表面積和孔隙率以及良好的穩(wěn)定性,，使得LDH在電催化領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景并多次登上各大頂刊,，特別是在海水電解方面的應用取得了令人矚目的成果,！

海水電解是一種很有前景且具有潛在成本效益的制氫方法。然而海水電解卻一直面臨著技術挑戰(zhàn),，主要包括高能量需求和氯化學的干擾,、氯離子的腐蝕和氯進化反應的競爭。因此,，開發(fā)具有高穩(wěn)定性和選擇性的催化劑,，以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的海水電解,，具有重要的科學意義和應用價值。

本期小豐整理了4篇LDH在海水電解方面的研究進展,，一起看下吧~

Advanced Functional Materials

激活電位重合以實現(xiàn)穩(wěn)定直接海水裂解

電化學海水裂解面臨著相互競爭的析氯反應和氯腐蝕問題,，給商業(yè)應用帶來了巨大障礙。

2025年1月7日,，期刊Advanced Functional Materials報道研究人員成功合成了插層催化劑SO42-/CoFeLDH,，該催化劑在堿性海水中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性、動力學和穩(wěn)定性,。

在該項工作中,，研究人員通過同時電激活硫脲和CoFe合金，將SO42-和CoFeLDH同時氧化,，合成了插層SO42-/CoFeLDH,。其與Pt/C||SO42-/CoFeLDH相結合的電解系統(tǒng)獲得優(yōu)異的OER性能（265.2mV@100mAcm-2）和優(yōu)異的穩(wěn)定性（1000h@500mAcm-2）。

研究發(fā)現(xiàn),，SO42-的存在提高了CoFeLDH的內(nèi)在活性,，降低了CoFeLDH的腐蝕傾向。測試結果表明,，CoFeLDH和SO42-是同時生成并插層到LDH層間,。DFT計算進一步證實，SO42-的插層降低了Cl-的吸附傾向,，從而提高了OER的選擇性,。

研究人員使用Pt/C||SO42-/CoFeLDH對組裝的海水AEM電解槽在工業(yè)條件下實現(xiàn)了更高的活性（2.264V，500mAcm-2）和運行時間（150h@500mAcm-2）,。在500mAcm-2時,，AEM電解槽在天然海水中的工作效率高達55%，每GGEH2的價格低至1.211美元,。

該研究以硫脲輔助電解為基礎,，提供了一種同時活化LDH和陰離子的新策略，為工業(yè)設計具有優(yōu)異催化性能和長期耐久性的催化劑提供了前景,。

文獻名稱：Taking Advantage of Activation Potential Coincidence to Unlock Stable Direct Seawater Splitting

Advanced Energy Materials

雙摻雜NiFeLDH助力高電流密度堿性OER

新型陽極電催化劑在大電流密度下具有高性能和成本效益,，有助于推動新興陰離子交換膜水電解槽（AEMWE）技術的發(fā)展,。

2025年2月21日，期刊Advanced Energy Materials報道了一種釕（Ru）單原子和硫（S）陰離子雙摻雜的鎳鐵層狀雙氫氧化物（Ru-S-NiFeLDH）催化劑,，該催化劑在高電流密度下具有顯著的低堿性析氧反應（OER）過電位,、高活性和長期穩(wěn)定性。

在該項工作中,，研究人員通過簡便的水熱反應合成了具有Ru單原子和S陰離子雙重摻雜的NiFeLDH（Ru-S-NiFeLDH）,。正如預期的那樣，在100mAcm-2和250mAcm-2的高電流密度下,，制備的Ru-S-NiFeLDH的過電位分別為279mV和321mV,，優(yōu)于NiFeLDH和商用RuO2。此外,，Ru-S-NiFeLDH的質(zhì)量活性是RuO2的382倍,，這表明它具有更高的經(jīng)濟效益。

在NiFeLDH中同時加入Ru單原子和S陰離子后,，其在大電流密度下的長期耐久性可延長至100小時以上,，且無明顯的活性損失。同時,，Ru-S-NiFeLDH只需提供1.92V的AEMWE電位即可達到1.0Acm-2,，優(yōu)于NiFeLDH。此外,，Ru-S-NiFeLDH還能在1.0Acm-2的條件下保持80小時出色的AEMWE穩(wěn)定性,。

深入的機理研究表明，Ru單原子不僅是高活性位點,，還能促進NiFeLDH的導電性,。同時，S陰離子加速了NiFeLDH向OER活性NiFeOOH的電化學重構,，并緩解了Ru活性位點的過氧化問題,。得益于此，Ru-S-NiFeLDH的OER活性和穩(wěn)定性顯著增強,。密度泛函理論DFT計算進一步驗證了Ru單原子和S陰離子共摻雜導致的OER自由能差的減小,。

該項研究為通過在三維過渡金屬基載體中同時摻雜貴金屬單原子和陰離子來設計具有高性價比、高活性和高穩(wěn)定性的電催化劑提供了可行指導,。

文獻名稱：Ru Single Atoms and Sulfur Anions Dual‐Doped NiFe Layered Double Hydroxides for High‐Current‐Density Alkaline Oxygen Evolution Reaction

Advanced Materials

氧缺陷NiFe-LDH擔載負價態(tài)Pt增強HER

負電荷Pt的獨特氫吸附特點在增強電催化HER反應中起到關鍵作用,。但是原子分散Pt位點通常通過非金屬鍵與載體結合，導致Pt處于高氧化態(tài),，削弱其對氫中間體（H*）的吸附/脫附能力,，反而降低HER性能。

2025年3月11日，期刊Advanced Materials報道研究人員提出了一種新型催化劑設計思路：將Pt原子通過Pt-Ni電子橋錨定在含氧缺陷的鎳鐵層狀雙氫氧化物（NiFe-LDH）上,，從而有效降低鉑的價態(tài),，改善了其對氫的吸附能力。

研究發(fā)現(xiàn),，Pt和NiFe-LDH之間的電子轉移主要通過Pt-Ni化學鍵而不是Pt-O化學鍵,。NiFe-LDH的氧缺陷促進更多的電子從Ni轉移到Pt，因此降低Pt的價態(tài),，增強產(chǎn)氫性能,。與此同時，Ni的價態(tài)提高,，導致催化劑的親水性增加,進而降低了水解反應的能壘,。

得益于這種結構，該催化劑（Pt/D-NiFe-LDH）在電催化析氫反應中表現(xiàn)出了極低的過電位,，在堿性（1 M KOH）和中性（1 M KPi）電解質(zhì)中分別僅需4mV和9mV的過電位即可驅動10mA cm-2的析氫電流,。此外質(zhì)量活性達到商用Pt/C的51.5倍（堿性）和23.7倍（中性），并在300小時穩(wěn)定性測試中保持性能不衰減,。

該催化劑不僅提升了析氫反應的效率，還展示了通過合理設計金屬催化劑的配位環(huán)境和電子結構來增強催化性能的巨大潛力,。

文獻名稱：Negative‐Valent Platinum Stabilized by Pt─Ni Electron Bridges on Oxygen‐Deficient NiFe‐LDH for Enhanced Electrocatalytic Hydrogen Evolution

Advanced Functional Materials

氟化工程構造超抗氯,、弱重構電催化劑，用于抗氯氧化和高穩(wěn)定性的海水電解

直接海水電解是實現(xiàn)可持續(xù)綠色氫氣生產(chǎn)和向脫碳能源系統(tǒng)過渡的關鍵,。然而,，由于催化劑不穩(wěn)定其性能受到重大限制，這是由過度重構,、低催化活性和氯腐蝕引起的,。

2025年1月29日，期刊Advanced Functional Materials報道研究人員通過氟化工程將高電負性F引入NiFe層狀雙氫氧化物（F-NiFe-LDH）中,，在Ni周圍誘導缺電子區(qū),，從而產(chǎn)生豐富的本征高價Ni位點。實驗和理論詳細證實了F-NiFe-LDH具有弱重構,、高穩(wěn)定性,、超抗氯表面和高活性晶格氧的特征。

這種具有高本征鎳價的氟化NiFe-LDH（F-NiFe-LDH）可以表現(xiàn)出以超疏抗氯表面為特征的硬路易斯酸性,，并在電解過程中實現(xiàn)弱重構,，可以有效避免Cl-腐蝕和相分離。

得益于這種特殊結構,，F(xiàn)-NiFe-LDH表現(xiàn)出優(yōu)異的析氧反應（OER）活性,，在堿性模擬海水和堿性海水中達到500mA cm?2時分別具有306和375mV的低過電位。它還表現(xiàn)出耐氯腐蝕性,，在1000mA cm?2下進行超過1000小時的超穩(wěn)定海水電解不會出現(xiàn)性能下降,、結構坍塌或氯氧化反應,。

此外，該裝置被組裝成一個陰離子交換膜電解槽,，可以在500mA cm?2下驅動穩(wěn)定的海水電解,，低能耗（4.87kWh Nm?3H2）顯示出優(yōu)越的應用前景。

本研究為設計針對避免氯氧化海水電解的耐腐蝕電催化劑提供了靈感,，同時實現(xiàn)了高穩(wěn)定性和OER活性,。

文獻名稱：A Super‐Chlorophobic Yet Weak‐Reconstructed Electrocatalyst by Fluorination Engineering toward Chlorine Oxidation‐Free and High‐Stability Seawater Electrolysis

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