Ruolo della sostituzione degli ioni vanadio sullo spinello MnCo2O4 verso una maggiore attività elettrocatalitica per la generazione di idrogeno

Jul 26, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2120 (2023) Citare questo articolo

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Il miglioramento degli elettrocatalizzatori (EC) efficienti per la generazione di idrogeno attraverso la scissione dell’acqua è di notevole interesse per affrontare l’imminente crisi energetica. La generazione sostenibile di idrogeno è il prerequisito principale per realizzare la futura economia dell’idrogeno. Questo lavoro esamina l'attività elettrocatalitica delle microsfere di ossido di spinello (MC) MnCo drogate con vanadio preparate idrotermicamente, MnVxCo2−xO4 (Vx-MnCo MC, dove x ≤ 0,4) nel processo HER (reazione di evoluzione dell'idrogeno). Le misurazioni della magnetizzazione hanno dimostrato una transizione da paramagnetica (ad alte temperature) a ferrimagnetica (a basse temperature) al di sotto della temperatura di Curie (Tc) in tutti i campioni. Si è scoperto che la magnetizzazione si intensifica con l'aumento del contenuto di vanadio degli MC. Gli MC Vx-MnCo del catalizzatore ottimizzato (x = 0,3) hanno sovraperformato gli altri EC preparati con una pendenza di Tafel di 84 mV/dec, un basso potenziale di inizio di 78,9 mV e un basso sovrapotenziale di 85,9 mV a una densità di corrente di 10 mA/cm2 , rispettivamente. Le prestazioni HER significativamente migliorate degli MC Vx-MnCo sintetizzati idrotermicamente (x = 0,3) sono principalmente attribuibili a molti siti attivi esposti, al trasporto accelerato di elettroni all'interfaccia EC/elettrolita e al notevole valore della spettroscopia elettronica per analisi chimiche (ECSA) ~ 11,4 cm2. Inoltre, l'elettrodo Vx-MnCo MC (x = 0,3) ha mostrato un'eccezionale stabilità elettrocatalitica dopo l'esposizione a 1000 cicli voltametrici ciclici e 36 ore di test cronoamperometrici. I nostri risultati suggeriscono un percorso fattibile per lo sviluppo di EC a base di ossido di metallo di transizione abbondante sulla terra come elettrodo superiore per future applicazioni di elettrolisi dell’acqua.

L’idrogeno è una delle tecnologie più sostenibili e a basso costo per la produzione di energia pulita su larga scala per risolvere il problema energetico globale1. I combustibili fossili consumano una quantità significativa di risorse naturali e producono prodotti indesiderati come la CO2, il che crea una situazione allarmante a causa dell’effetto serra2. L’utilizzo dell’idrogeno e dell’ossigeno come combustibile è considerato un’eccellente fonte candidata di energia pulita per soddisfare la crescente domanda di energia, il cambiamento climatico, ecc.3. La scissione elettrocatalitica dell'acqua dimostra una fonte di energia sostenuta per la generazione di idrogeno/ossigeno su larga scala attribuibile all'elevata purezza, all'elevata efficienza e all'assenza di sostanze inquinanti4,5. Numerose leghe e ossidi di materiali sono ben noti candidati per lo sviluppo di elettrodi a idrogeno/ossigeno. Di conseguenza, alcuni ossidi con metalli di transizione, come le strutture di spinello, hanno un'elevata conduttività elettronica e mostrano una significativa attività elettrochimica nella reazione di evoluzione dell'idrogeno/ossigeno (HER/OER) a causa delle loro eccezionali caratteristiche chimiche e fisiche. Una selezione di parametri quali temperatura, metodo di preparazione, ioni di sostituzione e pH della soluzione del precursore ha migliorato sostanzialmente l'attività catalitica degli spinelli6,7,8. Di conseguenza, la regolazione della fase dei campioni di ossido di spinello può ottimizzare il funzionamento dell'evoluzione dell'idrogeno del campione9,10,11,12.

MnCo2O4 ha una struttura a spinello inverso in cui gli ioni Mn2+ e gli ioni Co2+ hanno occupato i siti ottaedrici (Oh, B) e sono distribuiti uniformemente sui siti Oh e tetraedrici (Td, A). La sostituzione cationica nello spinello MnCo2O4 può alterare significativamente le sue caratteristiche elettriche e magnetiche perché la distanza di trasferimento degli elettroni tra B e B è breve, il che migliora il trasferimento degli elettroni e la conduttività elettrica13,14. L'effetto della composizione cationica sulle caratteristiche magnetiche del sistema spinello cubico misto Co2−xBixMnO4 (0,0 ≤ x ≤ 0,3) è stato esaminato da Rajeevan et al15. La sostituzione del Ni2+ sulle proprietà magnetiche del MnCo2O4 è stata studiata anche da Wang et al16. L'indagine della letteratura ha mostrato che l'influenza della sostituzione cationica sulle proprietà magnetiche di MnCo2O4 è ancora bassa e necessita di ulteriori indagini.