Роль замещения ионов ванадия на шпинели MnCo2O4 в повышении электрокаталитической активности при генерации водорода

Aug 12, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2120 (2023) Цитировать эту статью

1228 Доступов

2 цитаты

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Улучшение эффективных электрокатализаторов (ЭК) для производства водорода путем расщепления воды представляет значительный интерес для преодоления предстоящего энергетического кризиса. Устойчивое производство водорода является основной предпосылкой для реализации будущей водородной экономики. В данной работе исследована электрокаталитическая активность гидротермально полученных микросфер оксида шпинели MnCo, легированных ванадием (MC), MnVxCo2-xO4 (Vx-MnCo MC, где x ≤ 0,4) в процессе HER (реакция выделения водорода). Измерения намагниченности показали переход от парамагнитного (при высоких температурах) к ферримагнитному (при низких температурах) ниже температуры Кюри (Tc) во всех образцах. Установлено, что намагниченность усиливается с увеличением содержания ванадия в МК. Оптимизированные катализаторные МК Vx-MnCo (x = 0,3) превзошли другие приготовленные ЭК с наклоном Тафеля 84 мВ/дек, низким потенциалом начала 78,9 мВ и низким перенапряжением 85,9 мВ при плотности тока 10 мА/см2. , соответственно. Значительно улучшенные характеристики HER гидротермально синтезированных MC Vx-MnCo (x = 0,3) в основном объясняются множеством открытых активных центров, ускоренным транспортом электронов на границе раздела ЭК/электролит и замечательными значениями электронной спектроскопии для химического анализа (ECSA). 11,4 см2. Кроме того, электрод Vx-MnCo MC (x = 0,3) продемонстрировал выдающуюся электрокаталитической стабильности после воздействия 1000 циклических вольтаметрических циклов и 36 часов хроноамперометрического тестирования. Наши результаты предлагают возможный путь для разработки электрохимического электрода на основе оксидов переходных металлов в качестве превосходного электрода для будущих применений электролиза воды.

Водород является одной из наиболее устойчивых и недорогих технологий крупномасштабного производства экологически чистой энергии для решения глобальной энергетической проблемы1. Ископаемое топливо потребляет значительное количество природных ресурсов и производит нежелательные продукты, такие как CO2, что создает тревожную ситуацию из-за парникового эффекта2. Использование водорода и кислорода в качестве топлива считается отличным потенциальным источником чистой энергии для удовлетворения растущих потребностей в энергии, изменения климата и т. д.3. Электрокаталитическое расщепление воды демонстрирует устойчивый источник энергии для производства водорода/кислорода в больших масштабах благодаря высокой чистоте, высокой эффективности и отсутствию загрязняющих веществ4,5. Некоторые сплавы и оксиды материалов являются хорошо известными кандидатами для разработки водородно-кислородных электродов. В результате некоторые оксиды с переходными металлами, такие как структуры шпинели, обладают высокой электронной проводимостью и проявляют значительную электрохимическую активность в реакции выделения водорода/кислорода (HER/OER) из-за своих выдающихся химических и физических характеристик. Выбор таких параметров, как температура, метод получения, ионы замещения и pH раствора прекурсора, существенно улучшил каталитическую активность шпинелей6,7,8. Соответственно, регулировка фазы образцов оксида шпинели может оптимизировать функцию выделения водорода в образце9,10,11,12.

MnCo2O4 имеет структуру обратной шпинели, в которой ионы Mn2+ и ионы Co2+ заняли октаэдрические (Oh, B) позиции и равномерно распределены по Oh и тетраэдрическим (Td, A) позициям. Катионное замещение в шпинели MnCo2O4 может существенно изменить ее электрические и магнитные характеристики, поскольку расстояние переноса электронов между B и B короткое, что усиливает перенос электронов и электропроводность13,14. Влияние катионного состава на магнитные свойства смешанной кубической системы шпинели Co2-xBixMnO4 (0,0 ≤ x ≤ 0,3) было исследовано Радживаном и др.15. Замещение Ni2+ в магнитных свойствах MnCo2O4 также изучалось Вангом и др.16. Обзор литературы показал, что влияние катионного замещения на магнитные свойства MnCo2O4 пока невелико и требует дальнейшего изучения.