耐用廉价的电催化剂可从水中产生清洁的氢气和氧气

一种由镍(Ni)、铁(Fe)和硅(Si)制成的新型电催化剂以简单且经济高效的方式制造，可降低从水中合成H2所需的能量，从而提高了H2的实用性作为未来的清洁和可再生能源。

氢气是一种高度可燃气体，如果以对环境负责的方式生产，可以帮助世界实现其清洁能源目标。从水中产生氢气的主要障碍是电解水或将水分子分解成氢气(H2)和氧气(O2)所需的大量能量。

当今生产的大多数H2来自化石燃料，这会导致全球变暖。通过析氢反应(HER)从水中制造H2需要使用催化剂或降低化学反应所需能量的试剂。直到最近，这些催化剂都是由铂等稀土金属制成，降低了清洁氢气生产的成本效率和实用性。

来自中国大连的大连理工大学的一组材料科学家使用廉价的材料和方法制造了一种电催化剂，即一种使用电力的催化剂，可以有效减少从水中产生清洁H2所需的能量。重要的是，硅化铁镍(FeNiSi)合金或混合物还减少了从水中产生O2所需的能量，使催化剂具有双功能。

研究人员在《纳米研究能源》上发表了他们的研究成果。

“真正限制水电解技术发展和实际应用的是电催化材料。目前常见的催化剂，如贵金属……大多是单一功能的催化剂，这限制了水电解制氢的实际应用。因此，研究开发高效、稳定、廉价、环保的双功能电催化材料是电催化领域的首要目标。”该研究的资深作者、大连理工大学化学学院研究员张一夫说。

过渡金属硅化物合金是一种独特的化合物，常用于能源相关领域，生产成本低廉，有望成为潜在的水水解电催化剂。这些合金由过渡金属和硅原子制成，过渡金属是在化学反应中自由给予和接受电子的优异催化剂，硅原子在通电时增强了合金过渡金属原子的稳定性、耐热性和可及性。

Fe和Ni两种过渡金属非常适合用于水分解的过渡金属硅化物。“硅化镍因其低电阻和高金属活性而被……深入研究，特别是……在电化学领域。此外，最近的许多研究表明，Fe-Ni基材料在电化学水分解领域具有相当大的潜力。这项工作的目的是开发一种低成本、环境友好的路线来制备硅化铁镍作为双功能电解水催化剂(EWS)，”张说。

研究小组分两步制造了FeNiSi。首先，将天然粘土麦迪石(硅、氯化铁和氯化镍的来源)在压力下加热以产生硅酸铁镍。然后将硅酸铁镍与镁和氯化钠(食盐)混合并加热，形成FeNiSi合金的有序结构。重要的是，这是首次使用金属硅酸盐作为反应材料通过此类化学反应制造金属硅化物合金。

电子显微镜和X射线表征技术表明，制造过程在最终的FeNiSi合金中产生了许多孔结构，增加了其表面积和整体电催化性能。在10mA·cm-2的电流下，FeNiSi合金将析氧反应(OER)从水中分解氧和氢所需的电势分别降低了308mV和将HER分解为386mV。使用15小时后，该电催化剂也表现出足够的耐久性。

研究小组期待FeNiSi和其他过渡金属硅酸盐有助于合成清洁氢气以满足未来的能源需求。

“这项工作不仅为合成具有相当多多孔结构的金属间硅化物提供了一种简单的方法，而且使金属间硅化物被视为EWS的双功能电催化剂。低成本、高效的金属间硅化物电催化剂将为......可再生能源提供新的机会。能量转换”，张说。

其他贡献者包括来自中国大连的大连理工大学化学学院的XuyangJing、YangMu、ZhanmingGau和XueyingDong;孟长工，大连理工大学化学学院、环境与化学工程学院;和ChiHuang来自中国武汉大学化学与分子科学学院。