原創(chuàng) 羅旭等 科學(xué)材料站 2022-01-19 15:09
文 章 信 息
Ni3S2/Fe-NiPx球形魔方助力工業(yè)級高效海水析氧反應(yīng)
第一作者：羅旭
通訊作者：木士春*
單位：武漢理工大學(xué)
研 究 背 景
鑒于海水的豐富性以及將海水電解與可持續(xù)發(fā)電技術(shù)相結(jié)合的巨大優(yōu)勢，大力發(fā)展海水電解制氫具有重大意義。OER作為限制電解水效率的最主要半反應(yīng)無疑也是海水電解發(fā)展的主要瓶頸。相對于純水電解，海水電解對OER催化劑有著更高的要求。因此，合理設(shè)計高活性的陽極OER 電催化劑、有效實現(xiàn)海水電解中的高選擇性析氧并避免堿性條件下次氯酸鹽的形成及其他雜質(zhì)沉淀物的腐蝕成為了海水電解發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。
文 章 簡 介
基于此，來自武漢理工大學(xué)的木士春教授團隊在國際知名期刊Advanced Science 上發(fā)表題為“Spherical Ni3S2/Fe-NiPx Magic Cube with Ultrahigh Water/Seawater Oxidation Efficiency”的研究文章。該文章提出了一種新型自犧牲模板策略，成功構(gòu)建了一種獨特的Ni3S2/Fe-NiPx/NF球形結(jié)構(gòu)魔方，該結(jié)構(gòu)在海水氧化中具有出色的電化學(xué)活性和穩(wěn)定性。
本 文 要 點
要點一：構(gòu)筑Ni3S2/Fe-NiPx/NF球形魔方
采用新穎的自犧牲模板策略，通過界面氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)NiFe基普魯士藍類似物（NiFe PBA）在Ni3S2上的原位生長。由于Ni3S2納米片的形態(tài)優(yōu)勢，Ni3S2@NiFe PBA復(fù)合材料呈現(xiàn)了由納米立方體組成的獨特的球形魔方結(jié)構(gòu)，即使經(jīng)磷化處理后衍生為Ni3S2/Fe-NiPx異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其球形魔方結(jié)構(gòu)仍得以保持。
圖1. Ni3S2/Fe-NiPx球形結(jié)構(gòu)魔方預(yù)催化劑的合成與表征
要點二：Ni3S2/Fe-NiPx球形魔方出色的OER催化活性和穩(wěn)定性
結(jié)構(gòu)獨特的Ni3S2/Fe-NiPx在堿性介質(zhì)中具有超高的OER活性和穩(wěn)定性，其在堿性條件下驅(qū)動500和1000 mA cm-2的高電流密度僅需270 和291mV的超低過電位，甚至在堿性海水中達到500和1000 mA cm-2的電流密度也僅需336和351 mV過電位，且同時保持了長達225小時的穩(wěn)定性。
圖2. Ni3S2/Fe-NiPx/NF預(yù)催化劑在堿性介質(zhì)中的OER性能
圖3. Ni3S2/Fe-NiPx/NF預(yù)催化劑在堿性海水中的OER性能
要點三：Ni3S2/Fe-NiPx球形魔方在堿性和堿性海水中的OER重構(gòu)
一系列表征結(jié)果證實，OER電催化過程中表面P和部分S元素的浸出觸發(fā)了Ni(OH)2/Ni(Fe)OOH活性物質(zhì)在OER電催化過程的原位形成。其中，堿性海水中的重構(gòu)現(xiàn)象與1M KOH相一致。
圖4. Ni3S2/Fe-NiPx/NF在1M KOH電解液中進行 OER 測試后的 (a, b) FESEM 圖像；(c, d)不同放大倍率下的HRTEM 圖像。(e) Ni3S2/Fe-NiPx/NF在堿性天然海水中進行 OER 測試后的 STEM 圖像和相應(yīng)的元素分布圖。OER 測試前后 Ni3S2/Fe-NiPx/NF的 (f) Ni 2p、(g) Fe 2p 和 (h) O1s 的高分辨率 XPS圖譜。
要點四：密度泛函理論（DFT）計算分析OER活性的起源
DFT計算結(jié)果證實，F(xiàn)e-Ni2P和Fe-Ni12P5與相應(yīng)重構(gòu)物種（FeOOH或NiOOH）的耦合有效調(diào)節(jié)了OER活性中間產(chǎn)物的吸附自由能，從而降低反應(yīng)能壘。其中，F(xiàn)e-Ni2P/FeOOH重構(gòu)體系作為OER活性中心貢獻了大部分的OER活性。
圖5. 不同重構(gòu)體系的OER動力學(xué)研究
文 章 鏈 接
Spherical Ni3S2/Fe-NiPx Magic Cube with Ultrahigh Water/Seawater Oxidation Efficiency.
https://doi.org/10.1002/advs.202104846
通 訊 作 者 簡 介
木士春教授
武漢理工大學(xué)學(xué)科首席教授，博士生導(dǎo)師。主要從事質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料與核心器件、電化學(xué)產(chǎn)氫、鋰離子電池材料和碳納米材料等研究工作。目前，作為第一作者及通訊作者已在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano.、ACS Catal.、ACS Energy Lett.、Nano Energy等國內(nèi)外期刊上發(fā)表250余篇SCI學(xué)術(shù)論文，申請國家發(fā)明專利近102件，其中授權(quán)84件。