武漢理工木士春課題組Adv. Sci：Ni3S2/Fe-NiPx球形魔方——實(shí)現(xiàn)高效海水電解析氧反應(yīng)
ASNChina AdvancedScienceNews 2022-01-26 08:30
摘要：武漢理工大學(xué)木士春教授課題組通過鐵氰化鉀直接刻蝕Ni3S2納米片獲得了具有特殊球形魔方結(jié)構(gòu)的Ni3S2@NiFe普魯士藍(lán)類似物（PBA）復(fù)合材料。經(jīng)低溫磷化處理，該球形魔方結(jié)構(gòu)得以保持，并衍生為 Ni3S2/Fe-NiPx異質(zhì)結(jié)構(gòu)。其作為預(yù)催化劑在堿性和堿性海水中均表現(xiàn)出了優(yōu)異的OER催化活性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：Advanced Science, 海水電解，析氧反應(yīng)（OER）, 異質(zhì)結(jié)構(gòu), 武漢理工大學(xué),
水電解作為一種可持續(xù)的綠色產(chǎn)氫技術(shù)，是滿足未來社會(huì)能源需求的關(guān)鍵。而其中陽極端緩慢的析氧反應(yīng)（OER）動(dòng)力學(xué)嚴(yán)重限制了電解水效率。此外，為解決電解水技術(shù)在淡水資源匱乏地區(qū)應(yīng)用的瓶頸問題，海水電解成為重要選擇。海水自然資源豐富，占全球水資源總量的96.5％，且海域風(fēng)能，潮汐能等可再生能源豐沛。因此，將海水電解制氫技術(shù)與可再生能源發(fā)電技術(shù)相結(jié)合對(duì)氫能的發(fā)展及海洋資源的開發(fā)利用具有重大意義。然而，海水電解過程中陽極端的析氯反應(yīng)（ClER）亦或是堿性條件次氯酸鹽的形成都會(huì)嚴(yán)重影響電極材料的OER催化效率。因此，開發(fā)高活性和高穩(wěn)定性的非貴金屬OER電催化劑對(duì)于海水電解至關(guān)重要。
對(duì)于電催化劑，其應(yīng)具有大的比表面積及均勻和足夠多的活性位點(diǎn)。因此，催化劑前驅(qū)體的選擇及合成條件顯得尤為重要。此外，合理構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)構(gòu)也被認(rèn)為是調(diào)節(jié)材料電子結(jié)構(gòu)和提高催化劑本征催化活性的有效策略。而且，硫（S）、磷(P)等陰離子亦會(huì)對(duì)電極催化材料產(chǎn)生協(xié)同催化作用。由此可見，如果在催化劑設(shè)計(jì)過程中綜合考慮這些積極的因素?zé)o疑將會(huì)有力改善催化材料的催化性能。
為此，武漢理工大學(xué)木士春課題組以Ni3S2為部分自犧牲模板，通過與鐵氰化鉀簡(jiǎn)單的水熱反應(yīng)構(gòu)建了Ni3S2@NiFe普魯士藍(lán)類似物（PBA）復(fù)合材料。其中，PBA作為代表性的配位聚合物材料，具有可調(diào)節(jié)的金屬活性位點(diǎn)和開放框架結(jié)構(gòu)。得益于Ni3S2納米片的高度可調(diào)控性，得到的Ni3S2@NiFe PBA呈現(xiàn)了獨(dú)特的球形魔方結(jié)構(gòu)。而且經(jīng)后續(xù)磷化處理，衍生的Ni3S2/Fe-NiPx/NF異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料仍然保持了球狀魔方結(jié)構(gòu)，不僅具有多維反應(yīng)接觸面，還揭露更多的表面活性位點(diǎn)；同時(shí)，F(xiàn)e位點(diǎn)的同步引入也極大促進(jìn)了電極材料的本征催化活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ni3S2/Fe-NiPx/NF球形魔方作為預(yù)催化劑在1 M KOH和堿性海水中均展現(xiàn)了優(yōu)越的OER催化活性：分別僅需291 和351 mV的過電位即可輸出1000 mA cm-2的超大電流密度，且具有200多小時(shí)的超高穩(wěn)定性。進(jìn)一步研究揭示了Ni3S2/Fe-NiPx/NF球形魔方在1 M KOH和堿性海水中發(fā)生了表面重構(gòu)，促進(jìn)了Ni(OH)2/Ni(Fe)OOH氧化層的生成。密度泛函理論（DFT）計(jì)算進(jìn)一步分析了重構(gòu)體系在OER過程中對(duì)中間產(chǎn)物的吉布斯吸附自由能影響，證明了Fe-Ni2P/FeOOH為OER活性中心。
此項(xiàng)工作為開發(fā)高效、低成本的水和海水電解OER電催化劑提供了新思路，相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Science上。
論文信息：
Spherical Ni3S2/Fe-NiPx Magic Cube with Ultrahigh Water/Seawater Oxidation Efficiency.
Xu Luo, Pengxia Ji, Pengyan Wang, Xin Tan, Lei Chen, and Shichun Mu*
Advanced Science
DOI:10.1002/advs.202104846