High buffering capacity cobalt-doped nickel hydroxide electrode as redox mediator for flexible hydrogen evolution by two-step water electrolysis

电解 氧化还原 电化学 碱性水电解 氢氧化物 电极 析氧 电解水 无机化学 化学 化学工程 电解质 物理化学 有机化学 工程类
作者
Yuan He,Chengwei Sun,Njud S. Alharbi,Shubin Yang,Changlun Chen
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:650: 151-160 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.06.102
摘要

Two-step water electrolysis has been proposed to tackle the ticklish H2/O2 mixture problems in conventional alkaline water electrolysis recently. However, low buffering capacity of pure nickel hydroxide electrode as redox mediator limited practical application of two-step water electrolysis system. A high-capacity redox mediator (RM) is urgently needed to permit consecutive operation of two-step cycles and high-efficiency hydrogen evolution. Consequently, a high mass-loading cobalt-doped nickel hydroxide/active carbon cloth (NiCo-LDH/ACC) RM is synthesized via a facile electrochemical method. The proper Co doping can apparently enhance the conductivity and simultaneously remain the high-capacity of the electrode. Density functional theory results further confirms more negative values in redox potential of NiCo-LDH/ACC than Ni(OH)2/ACC on account of the charge redistribution induced by Co doping, which can prevent the parasitic O2 evolution on RM electrode during decoupled H2 evolution step. As a result, the NiCo-LDH/ACC combined the superiorities of high-capacity Ni(OH)2/ACC and high-conductivity Co(OH)2/ACC, and the NiCo-LDH/ACC with 4:1 ratio of Ni to Co presented a large specific capacitance of 33.52F/cm2 for reversible charge-discharge and high buffering capacity with two-step H2/O2 evolution duration of 1740 s at 10 mA/cm2. The necessary input voltage (2.00 V) of the whole water electrolysis was broken into two smaller ones, 1.41 and 0.38 V, for H2 and O2 production, respectively. NiCo-LDH/ACC provided a favorable electrode material for the practical application of two-step water electrolysis system.
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