一种基于铬铁氧体（CrFe2O4）的创新且简单的电催化剂，用于高效实现整体水分解

《International Journal of Hydrogen Energy》：A novel and simple electrocatalyst based on chromium ferrite (CrFe2O4) for efficient overall water splitting

　　

Sara Moradi|Mohammad Bagher Gholivand|Avat Arman Taherpour|Mohammadsaleh Norouzibazaz

伊朗克尔曼沙赫市Razi大学化学学院分析化学系

摘要

设计并开发出成本低廉且高效的兼具两种功能的电催化剂以实现水分解是一个具有挑战性但又至关重要的目标。在这项研究中，我们合成了一种高效的兼具两种功能的铬铁酸盐（CrFe₂O₄）电催化剂，用于全面的水分解过程。通过FT-IR、XRD、BET、Raman、FE-SEM、EDX、TEM和ICP技术对合成的CrFe₂O₄进行了全面表征。值得注意的是，该催化剂在20 mA cm^?2的电流密度下，氧气析出反应（OER）的过电位为310 mV，在10 mA cm^?2的电流密度下，氢气析出反应（HER）的过电位为78 mV。同时，这种催化剂既可以作为阴极也可以作为阳极使用，实现了1.60 V的较低电池电压，并且在10 mA cm^{?2₂O₄出色的电催化性能归因于其快速的电荷转移能力和较大的电化学活性表面积。}

引言

鉴于环境污染加剧和能源限制，开发可持续且高效的清洁能源来源受到了广泛关注[[1], [2], [3], [4]]。在各种清洁能源中，氢气因其高能量密度、丰富的自然资源以及无污染的燃烧特性而脱颖而出[5,6]。与传统的不可再生化石能源转化技术和产生的工业废气不同，水电解在生产氢气的同时可以避免二次污染[7,8]。HER和OER是构成电催化水分解过程的两个半反应。OER的理论平衡电位为1.23 V，高于可逆氢电极（RHE）的电位[9,10]。因此，开发一种有效的双功能电催化剂以降低动力学过电位并显著提高电解效率至关重要。铂（Pt）等贵金属是HER的最佳电催化剂之一，而IrO₂或RuO₂则被认为是OER的最高效催化剂。然而，这些金属的高成本和稀缺性严重限制了它们的广泛应用[[11], [12], [13]]。因此，目前仍在进行大量研究以开发经济高效的双功能水分解催化剂。

近年来，基于过渡金属的催化剂，包括金属氧化物、碳化物、硫化物、硒化物和磷酸盐，在水分解和HER/OER领域引起了关注[[14], [15], [16]]。其中，尖晶石氧化物，特别是铁基尖晶石（XFe₂O₄），由于在水分解应用中的优异性能而受到关注。它们在地壳中的丰富存在及其环保特性是这种兴趣日益增长的主要原因[[17], [18], [19]]。例如，Farooq等人[20]合成了一种CoFe₂O₄/Fe₂O₃@CNT电催化剂用于水分解，该催化剂表现出236 mV的过电位和146 mV dec^{?1₂O₄的双功能电催化剂，用于碱性环境下的HER和OER，这些催化剂具有低过电位和高活性。在另一项研究中，Srinivas等人[22]合成了CoFe₂O₄-MOF@CNT电催化剂用于水分解，结果显示该催化剂在OER和HER过程中的过电位分别为246 mV和164 mV。此外，Wu等人[23]研究了铬掺入钴尖晶石氧化物（Cr–Co₃O₄）对其OER过程活性和稳定性的影响，结果表明添加铬后OER性能得到提升，过电位为358 mV（在10 mA cm?2₁₀ = 71.1 mV，η₁₀₀ = 193 mV），并在10 mA cm?2?2₂O₄@rGO杂化材料在HER和OER中的应用，结果表明该材料在整个水分解过程中具有100小时的良好稳定性。Xue等人[28]合成了一种P–CoFe₂O₄/CNTs电催化剂用于水分解，该催化剂在HER和OER过程中表现出优异的性能。Gebreslase等人[29]制备了CoFe合金/N掺杂碳电催化剂用于OER，该催化剂具有340 mV的较低过电位。}

在本研究中，我们采用了一种简便的化学共沉淀技术制备了一种高效的双功能CrFe₂O₄电催化剂。据我们所知，CrFe₂O₄之前尚未被用作HER/OER的电催化剂。我们对CrFe₂O₄的HER和OER性能进行了详细研究，结果表明该催化剂在碱性环境中具有较小的塔菲尔斜率、较低的过电位和良好的耐久性。CrFe₂O₄出色的电催化活性源于其快速的电荷转移能力和较大的电化学活性表面积。值得注意的是，这种催化剂在1.60 V的电压下，以10 mA cm^{?2₂O₄作为一种高效电催化剂，还为开发用于可持续能源转换的先进尖晶石氧化物材料提供了策略。}

节选内容

化学试剂

三硝酸铬（III）九水合物 [Cr(NO₃)₃.9H₂O]、三硝酸铁（III）九水合物 [Fe(NO₃)₃.9H₂O]、氢氧化钾（KOH，99%）和氢氧化钠（NaOH，99%）均购自德国达姆施塔特的Merck公司。Pt/C（20 wt%）购自Premetek公司。

表征技术

使用XRD分析（Rigaku Ultima IV，日本）确定了制备的CrFe₂O₄样品的结晶度和纯度。FESEM（TESCAN MIRA2）配备了EDX和透射电子显微镜（TEM，Philips，荷兰）。

CrFe₂O₄电催化剂的特性

结论

在这项研究中，我们报道了一种CrFe₂O₄电催化剂的发展，这是一种具有尖晶石结构的混合金属氧化物，在碱性介质中表现出增强的HER和OER双重功能，这一设计受到了类似非贵金属氧化物系统的启发。CrFe₂O₄中的八面体铁配位与铬结合，优化了活性位点的电子结构和吸附能量，从而提高了电导率和内在催化活性。

CRediT作者贡献声明

Sara Moradi：负责撰写初稿、资源整合和实验研究。Mohammad Bagher Gholivand：负责审稿和编辑、项目管理、方法论设计、实验研究和数据分析、概念构建。Avat Arman Taherpour：负责审稿和编辑、软件开发、方法论设计和实验研究。Mohammadsaleh Norouzibazaz：负责审稿和编辑、软件开发、方法论设计及实验研究。

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

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