[論文レビュー] Cobalt-based Co$_3$Mo3N/Co$_4$N/Co Metallic Heterostructure as a Highly Active Electrocatalyst for Alkaline Overall Water Splitting

Yuanwu Liu, Lirong Wang+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2024

Ammonia Synthesis and Nitrogen Reduction被引用数 19

ひとこと要約

本論文は、アルカリ性水分解用の高効率・長寿命触媒として、コバルト系金属異種接合構造（Co$_3$Mo$_3$N/Co$_4$N/Co/Co）を報告し、低いセル電圧と長期安定性を達成した。

ABSTRACT

Alkaline water electrolysis is considered a commercially viable option for large-scale hydrogen production. However, this process still faces challenges due to the high voltage (>1.65 V at 10 mA cm$^{-2}$) and its limited stability at higher current densities due to the inefficient electron transport kinetics. Herein, a novel cobalt based metallic heterostructure (Co$_3$Mo3N/Co$_4$N/Co/Co) is designed for application for water electrolysis. Operando Raman experiments reveal that the formation of Co$_3$Mo3N/Co$_4$N/Co heterointerface boosts the free water adsorption and dissociation, resulting in a surplus of protons available for subsequent hydrogen production. Furthermore, the altered electronic structure of Co$_3$Mo3N/Co$_4$N/Co heterointerface optimizes the ΔGH of nitrogen atoms at the interface. This synergistic effect between interfacial nitrogen atoms and metal phase cobalt creates highly efficient hydrogen evolution reaction (HER) active sites, thereby enhancing the overall performance. Additionally, the heterostructure exhibits a rapid OH- adsorption rate, coupled with a strong adsorption strength, leading to improved oxygen evolution reaction (OER) performance. Crucially, the metallic heterojunction facilitates fast electron transport, expediting the aforementioned reaction steps and ultimately improving the overall efficiency of water splitting. The water electrolyzer with Co$_3$Mo3N/Co$_4$N/Co/Co as a catalyst exhibits outstanding performance, requiring an impressively low cell voltage of 1.58 V at 10 mA cm$^{-2}$ and maintaining approximately 100% retention over a remarkable 100 h duration at 200 mA cm$^{-2}$. This performance significantly exceeds that of the commercial Pt/C || RuO2 electrolyzer.

研究の動機と目的

• アルカリ性水電解の高性能・スケーラブルな触媒を動機づける。
• HERおよびOERの動力学を向上させるため、コバルト系金属異種接合構造の設計と評価。
• 水吸着、窒素関連の電子構造、および電子輸送を高める界面効果を解明。
• 産業関連条件下の水電解装置で実用的な電催化性能を実証。

提案手法

• Co$_3$Mo$_3$N/Co$_4$N/Co/Co 金属異種接合構造の合成。
• 界面形成と水吸着/解離をモニターする作動ラマン分光。
• 異種界面における電子構造と窒素原子 ΔGH への影響の分析。
• OH$^-$ の吸着ダイナミクスとHERおよびOERの総合的触媒動力学の評価。
• 水分解中の高速電子輸送と異種接合を結びつける電気伝導研究。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Co$_3$Mo$_3$N/Co$_4$N/Co/Co 異種接合がアルカリ性全体水分解のセル電圧を低下させるか？
• RQ2 界面の Co–N 環境は水素進化と酸素進化の活性にどう影響するか？
• RQ3 金属異種接合部の高速電子輸送は全体の電解性能にどんな役割を果たすか？
• RQ4 高電流密度での長時間運転下での触媒の安定性はどうか？

主な発見

• Co$_3$Mo$_3$N/Co$_4$N/Co/Co触媒を用いた電解槽は 10 mA cm$^{-2}$ で 1.58 V を要する。
• 触媒は 200 mA cm$^{-2}$ で 100 h の間約100%の保持を維持。
• 作動中のラマン分光は、界面の Co$_3$Mo$_3$N/Co$_4$N/Co形成が水の吸着と解離を促進することを示す。
• 界面窒素原子–金属相互作用は ΔGH を最適化し、HER活性を高める。
• この異種接合は強い吸着強度を伴う迅速な OH$^-$ 吸着を示し、OER性能を向上させる。
• 金属接合部を横断する高速電子輸送が全体の水分解プロセスを加速させる。