原創(chuàng) 化學(xué)與材料科學(xué) 2022-11-20 12:59 發(fā)表于北京
鎳鉬基催化劑因其優(yōu)異的堿性析氫反應(yīng)（HER）活性受到廣泛關(guān)注。這是因為通常Ni原子是優(yōu)異的水解離位點，而Mo原子具有優(yōu)越的氫吸附能。然而，鎳鉬基催化劑普遍析氧反應(yīng)（OER）活性不突出（h10> 260 mV），使OER和HER活性難以兼顧。因此，激發(fā)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)用至關(guān)重要。
基于此，近日武漢理工大學(xué)木士春教授團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。該論文通過自犧牲的模板法將鐵原子引入到Ni/MoO2體系中構(gòu)筑了具有空心納米棒形貌的NiFe/Fe-MoO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑。該催化劑在堿性介質(zhì)中呈現(xiàn)出優(yōu)越的OER及類鉑的HER活性。
圖1. 圖文摘要
本文要點：
要點一：獨特的NiFe/Fe-MoO2空心異質(zhì)納米棒結(jié)構(gòu)使用鉬酸鎳納米棒作為模板，浸泡于鐵氰化鉀溶液。由于Kirkendall效應(yīng)，鎳離子與鐵氰根離子配位的同時伴隨著鉬酸根離子的浸出，通過控制反應(yīng)時間可以合成獨特的NiFe/Fe-MoO2空心納米棒結(jié)構(gòu)催化劑。
圖2. 催化劑的合成示意圖及其形貌和結(jié)構(gòu)特征
圖3. 催化劑的物相及成分特征
要點二：優(yōu)異的OER及類鉑的HER活性
在堿性介質(zhì)中（1 M KOH），NiFe/Fe-MoO2在213 mV的低過電位下可提供20 mA/cm2的OER電流密度，優(yōu)于目前已報道的大多數(shù)鎳鉬基催化劑（圖4）。此外，催化劑還具有類鉑的HER活性，僅需33 mV的過電位即可提供10 mA/cm2的電流密度（圖5）。催化劑經(jīng)過70 h的恒電流穩(wěn)定性測試后，其OER/HER活性沒有出現(xiàn)明顯衰減，展現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。
圖4. 催化劑堿性純水中析氧反應(yīng)（OER）性能
圖5. 催化劑堿性純水中的析氫反應(yīng)（HER）性能
要點三：有效驅(qū)動堿性純水/海水電解將NiFe/Fe-MoO2用于堿性水和海水電解。當(dāng)電流密度為10 mA/cm2時，分別僅需1.48和1.51 V的電壓，展現(xiàn)出優(yōu)異的水解性能。此外，催化劑還具有出色的穩(wěn)定性和接近100%的法拉第效率。
圖6. 催化劑堿性純水和堿性海水中的全解水性能
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。
原文鏈接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202205683