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H2S-Treated Nickel Foam Electrocatalyst for Alkaline Water Electrolysis under Industrial Conditions
ACS Catalysis ( IF 11.3 ) Pub Date : 2024-07-25 , DOI: 10.1021/acscatal.4c02778 Soffi E.S. Olesen 1, 2, 3 , Anders W. Jensen 1 , Magnus Klo̷ve 3 , Filippo Fenini 1 , Jesper Nissen 2 , Bo B. Iversen 3 , Anders Bentien 2 , Lars P. Nielsen 1
ACS Catalysis ( IF 11.3 ) Pub Date : 2024-07-25 , DOI: 10.1021/acscatal.4c02778 Soffi E.S. Olesen 1, 2, 3 , Anders W. Jensen 1 , Magnus Klo̷ve 3 , Filippo Fenini 1 , Jesper Nissen 2 , Bo B. Iversen 3 , Anders Bentien 2 , Lars P. Nielsen 1
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The development of facile synthesis methods for efficient electrocatalysts plays a crucial role in improving the overall efficiency of alkaline water electrolysis. Here we explore a synthesis route using chemical vapor deposition (CVD) with H2S gas to enhance the efficiency of nickel foam electrocatalysts. A uniform film consisting of distinctive nanostructures was successfully grown on the surface of nickel foam by sulfiding at 95–145 °C in 3% H2S/Ar for 1–17 h. Electrochemical performance tests under industrially relevant conditions with 30 wt % KOH at 85 °C tested at 200–500 mA cm–2 for up to 2 weeks showed a reduction in cell voltage up to 0.4 V for modified electrodes, corresponding to 18% higher efficiency for overall water splitting, as compared to pristine nickel foam. Surface area analysis showed a 30-fold increase in the surface area following H2S treatment. Structural and compositional analyses of the modified nickel foam electrodes were conducted using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM), scanning transmission electron microscopy (STEM), energy dispersive X-ray (EDX) analysis and synchrotron powder X-ray diffraction (XRD). The analysis revealed the presence of Ni3S2 with a film thickness of 1–4 μm after the H2S treatment. Extended reaction times showed continuous reaction and the emergence of NiS. All analyses were performed before and after alkaline water electrolysis. Post-electrolysis characterizations indicated either the absence or minimal presence of sulfur. This suggests that the enhanced performance is likely not attributed to sulfur catalytic activity but rather to alterations in the surface morphology of the nickel foam.
中文翻译：
用于工业条件下电解碱性水的经 H2S 处理的泡沫镍电催化剂
开发高效电催化剂的简易合成方法对于提高碱性水电解的整体效率起着至关重要的作用。在这里，我们探索了一种利用H 2 S气体化学气相沉积（CVD）的合成路线，以提高泡沫镍电催化剂的效率。通过在 95–145 °C、3% H 2 S/Ar 中硫化 1–17 小时，在泡沫镍表面成功生长出由独特纳米结构组成的均匀薄膜。在工业相关条件下，使用 30 wt% KOH、85 °C、200–500 mA cm –2进行长达 2 周的电化学性能测试，结果表明，修饰电极的电池电压降低了 0.4 V，相当于效率提高了 18%与原始泡沫镍相比，用于整体水分解。表面积分析显示H 2 S处理后表面积增加了30倍。使用 X 射线光电子能谱 (XPS)、扫描电子显微镜 (SEM)、扫描透射电子显微镜 (STEM)、能量色散 X 射线 (EDX) 分析和同步加速器粉末 X 射线对改性泡沫镍电极进行结构和成分分析。射线衍射（XRD）。分析表明，H 2 S 处理后存在膜厚为 1-4 μm 的 Ni 3 S 2 。反应时间延长表明反应持续进行并出现 NiS。所有分析均在碱性水电解之前和之后进行。电解后表征表明不存在或存在极少的硫。 这表明性能的增强可能不是归因于硫催化活性，而是归因于泡沫镍表面形态的改变。
更新日期：2024-07-25
中文翻译：
用于工业条件下电解碱性水的经 H2S 处理的泡沫镍电催化剂
开发高效电催化剂的简易合成方法对于提高碱性水电解的整体效率起着至关重要的作用。在这里，我们探索了一种利用H 2 S气体化学气相沉积（CVD）的合成路线，以提高泡沫镍电催化剂的效率。通过在 95–145 °C、3% H 2 S/Ar 中硫化 1–17 小时，在泡沫镍表面成功生长出由独特纳米结构组成的均匀薄膜。在工业相关条件下，使用 30 wt% KOH、85 °C、200–500 mA cm –2进行长达 2 周的电化学性能测试，结果表明，修饰电极的电池电压降低了 0.4 V，相当于效率提高了 18%与原始泡沫镍相比，用于整体水分解。表面积分析显示H 2 S处理后表面积增加了30倍。使用 X 射线光电子能谱 (XPS)、扫描电子显微镜 (SEM)、扫描透射电子显微镜 (STEM)、能量色散 X 射线 (EDX) 分析和同步加速器粉末 X 射线对改性泡沫镍电极进行结构和成分分析。射线衍射（XRD）。分析表明，H 2 S 处理后存在膜厚为 1-4 μm 的 Ni 3 S 2 。反应时间延长表明反应持续进行并出现 NiS。所有分析均在碱性水电解之前和之后进行。电解后表征表明不存在或存在极少的硫。 这表明性能的增强可能不是归因于硫催化活性，而是归因于泡沫镍表面形态的改变。
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