Upscaling high activity oxygen evolution catalysts based on CoFe2O4 nanoparticles supported on nickel foam for power-to-gas electrochemical conversion with energy efficiencies above 80%

材料科学 电解质 析氧 化学工程 电化学 纳米颗粒 电解 催化作用 电极 分解水 电解水 电化学能量转换 纳米技术 冶金 化学 生物化学 物理化学 光催化 工程类 有机化学
作者
Félix Urbain,Ruifeng Du,Pengyi Tang,Vladimir Smirnov,Teresa Andreu,F. Finger,Núria J. Divins,Jordi Llorca,Jordi Arbiol,Andreu Cabot,J.R. Morante
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:259: 118055-118055 被引量:44
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2019.118055
摘要

We investigate cobalt ferrite nanoparticles (NPs) supported on large-scale electrodes as oxygen evolution reaction (OER) catalysts. Colloidal CoFe2O4 NPs were loaded on low-cost and high surface area nickel foam (NF) scaffolds. The coating process was optimized for large electrode areas, ensuring a proper distribution of the NPs on the NF that allowed overcoming the electrical conductivity limitations of oxide NPs. We were able to produce CoFe2O4-coated NFs having 10 cm2 geometric surface areas with overpotentials below 300 mV for the OER at a current density of 50 mA/cm2. Such impressively low overpotentials suggested using CoFe2O4 NP-based electrodes within a water electrolysis device. In this prototype device, stable operating currents up to 500 mA at remarkably low cell-voltages of 1.62 and 1.53 V, at ambient and 50 °C electrolyte temperatures, respectively, were reached during operation periods of up to 50 h. The high electrochemical energy efficiencies reached at 50 mA/cm2, 75% and 81% respectively, rendered these devices particularly appealing to be combined with low-cost photovoltaic systems for bias-free hydrogen production. Therefore, CoFe2O4 NP-based electrolysers were coupled to low-cost thin-film silicon solar cells with 13% efficiency to complete a system that afforded solar-to-fuel efficiencies above 10%.
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