原創(chuàng) 史文杰等 科學(xué)材料站 2022-11-15 09:29 發(fā)表于安徽
文 章 信 息
摻鐵Ni/MoO2空心異質(zhì)納米棒陣列促進(jìn)高效堿性水/海水電解
第一作者：史文杰
通訊作者：木士春*，唐浩林*
單位：武漢理工大學(xué)
研 究 背 景
電解水過程中水分子通過氧析出反應(yīng)（OER）和氫析出反應(yīng)（HER）分解為氧氣和氫氣。然而，目前電解水技術(shù)受限于OER和HER緩慢的動力學(xué)過程，因此迫切需要開發(fā)出高活性的雙功能電催化劑以促進(jìn)水分解動力學(xué)。
鎳鉬基催化劑中，Ni原子具有優(yōu)異的水解離活性，而Mo原子具有優(yōu)越的氫吸附能；同時，鎳和鉬化物的強(qiáng)耦合作用可引起電子轉(zhuǎn)移并改變催化劑的電子結(jié)構(gòu)，使其具有類鉑族金屬的堿性HER活性。然而，鎳鉬基催化劑的析氧反應(yīng)（OER）活性較低，導(dǎo)致目前缺乏高效OER和HER雙功能鎳鉬基催化劑的報道。因此，喚醒鎳鉬基催化劑的OER活性對促進(jìn)其在水電解領(lǐng)域的應(yīng)用具有非常重要的意義。
文 章 簡 介
基于此，武漢理工大學(xué)木士春教授團(tuán)隊與唐浩林教授合作在Small上發(fā)表題為“Fe-Incorporated Ni/MoO2 Hollow Heterostructure Nanorod Arrays for High-Efficiency Overall Water Splitting in Alkaline and Seawater Media”的論文。
該論文通過一種新穎的自犧牲的模板策略，成功構(gòu)筑了一種獨特的NiFe/Fe-MoO2空心異質(zhì)納米棒。該催化劑在堿性純水及海水中呈現(xiàn)出優(yōu)越的OER及類鉑的HER活性。
圖1. NiFe/Fe-MoO2催化劑結(jié)構(gòu)及應(yīng)用場景
本 文 要 點
要點一：構(gòu)筑NiFe/Fe-MoO2空心異質(zhì)納米棒
采用新穎的自犧牲的模板策略，通過在NiMoO4上原位生長普魯士藍(lán)類似物（PBA）立方塊；然后，在離子交換過程中，鎳離子與鐵氰根離子配位的同時伴隨著部分鉬酸根離子的溶解，形成了獨特的NiMoO4@PBA空心納米棒結(jié)構(gòu)；經(jīng)過高溫煅燒后得到NiFe/Fe-MoO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其空心納米棒結(jié)構(gòu)仍得到保持。
圖2. NiFe/Fe-MoO2催化劑的合成與表征
要點二：NiFe/Fe-MoO2具有優(yōu)異的OER及類鉑的HER活性
結(jié)構(gòu)獨特的NiFe/Fe-MoO2在堿性介質(zhì)中（1 M KOH）具有優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性：OER過電位僅為213 mV@20 mA/cm2，優(yōu)于目前已報道的大多數(shù)鎳鉬基催化劑（圖3）；該催化劑還具有類鉑的HER活性，驅(qū)動10 mA/cm2的電流密度僅需33 mV的低過電位（圖4）。此外，該催化劑經(jīng)過70 h的恒電流穩(wěn)定性測試后，OER/HER活性沒有出現(xiàn)明顯衰減，表明具有出色的電化學(xué)穩(wěn)定性。
圖3. NiFe/Fe-MoO2催化劑在1 M KOH中析氧反應(yīng)（OER）性能
圖4. NiFe/Fe-MoO2催化劑在1 M KOH中析氫反應(yīng)（HER）性能
要點三：NiFe/Fe-MoO2可高效驅(qū)動堿性純水/海水電解
得益于獨特的空心異質(zhì)納米棒結(jié)構(gòu)，NiFe/Fe-MoO2分別在堿性純水和堿性海水電解液中的全水解反應(yīng)只需要1.48和1.51 V的槽電壓就可以驅(qū)動10 mA/cm2的電流密度，顯著超過了商業(yè)Pt/C||RuO2貴金屬電極對的活性，且展現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性和近100%的法拉第效率。
圖5. NiFe/Fe-MoO2催化劑在堿性介質(zhì)及堿性海水中的全解水性能
要點四：前瞻
本文通過自犧牲的模板策略，引入鐵原子有效激發(fā)了鎳鉬基催化劑的OER活性，獲得了具有優(yōu)異OER及類鉑HER活性的鎳鉬基雙功能催化劑。該項工作對高性能非貴金屬OER/HER雙功能催化劑的設(shè)計與構(gòu)筑具有重要的啟示意義，并將有力促進(jìn)鎳鉬基催化劑電解水的多場景應(yīng)用。
文 章 鏈 接
Fe-Incorporated Ni/MoO2 Hollow Heterostructure Nanorod Arrays for High-Efficiency Overall Water Splitting in Alkaline and Seawater Media
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202205683
通 訊 作 者 簡 介
木士春：武漢理工大學(xué)首席教授，博士生導(dǎo)師，國家級高層次人才。長期致力于電解水制氫催化劑、質(zhì)子交換膜膜燃料電池催化劑研究。以第一作者或通訊作者在 Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等國內(nèi)外期刊上發(fā)表270余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文。
唐浩林：武漢理工大學(xué)首席教授，博士生導(dǎo)師，國家級高層次人才。長期從事燃料電池和鋰電池關(guān)鍵材料研究。以第一作者或通訊作者在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Adv. Sci.等國內(nèi)外期刊上發(fā)表100余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文。