Nano Energy：優化自氧化過程FeNiS2NS/rGO納米雜化超高電催化產氧

【引言】

迄今為止，研究人員已經做出了巨大的努力來開發地球上豐富的而且高功率的OER催化劑，對于很多能量轉換技術來說這是一個重要的半電池反應, 包括光水解，水電解以及金屬空氣電池。非貴金屬催化劑在OER中設計的難點在于緩慢的4電子和質子傳輸的動力學過程。早期的研究表明，鎳氫電極中的鐵雜質會對鎳基電極產生不利影響，從而大大降低其過電位。這一發現啟發了許多研究人員，進而研究人員探索了該機制，優化了鐵含量，并合成了各種不同的混合化合物，以獲得更好的電催化劑。特別是基于具有獨特的化學結構和物理形態FeNi基氧化物和氫氧化物，因為它們具有出色的OER活性而作為潛在的催化劑被廣泛地研究。然而，低導電性是這些電催化劑的主要缺點。為了解決這一問題，研究人員致力于用改進FeNi氧化物和氫氧化物電催化劑的導電性能，如維數調節、表面原子吸收、與導電矩陣的雜化等。作者近期工作中指出三元鎳鐵硫化物納米片(FeNiS₂ NS)催化劑，在硫原子和獨特的二維結構的幫助下提升了電導率，提供了一個具有出色性能的OER催化劑候選材料。

【成果簡介】

近日，來自中科大的俞漢青教授等人在Nano Energy上發文，題為：“Ultrahigh Electrocatalytic Oxygen Evolution by Iron-Nickel Sulfide Nanosheets/ Reduced Graphene Oxide Nanohybrids with an Optimized Autoxidation Process”。研究人員采用一種新的策略，通過一步膠體法設計三維(三維)鐵鎳硫化物納米片/還原氧化石墨烯(FeNiS₂ NS/rGO)的納米雜化，來減輕氧化過程對OER的負面影響，從而使其在rGO上有良好的分散性和強耦合性。這種相互關聯的3D結構可以形成極佳的電子傳輸，提供大量的活動位點，并阻止活性成分的分解。The FeNiS₂ NS/rGO在1M KOH溶液中具有200mV的過電位。而且在空氣條件下，在長期的連續電解和長期老化的情況下，它們可以一直保持穩定。

【圖文導讀】

圖1. OER測試后FeNiS₂ NS結構表征

(a) TEM圖；

(b) HRTEM圖和相應的SAED圖；

(c) EDX圖和相應的成分；

(d)相應元素圖譜Fe(紫色), Ni (黃色), S (光色)，O (綠色)；

圖2. FeNiS₂ NS/rGO結構表征

(a-c) SEM和TEM圖；

(d) HRTEM，插圖為相應的高分辨TEM圖；?

(e) EDX圖譜；

(f-j) HAADF圖和相應的元素圖Fe (purple), Ni(綠色), S (黃色), C (藍綠色) 以及產品中所有元素的混合和匹配；

圖 3. 結構和熱重分析

(a-b) FeNiS₂ NS/rGO and FeNiS₂ NS的XRD和拉曼圖譜；

(c-d) TGA曲線and FeNiS₂ NS/rGO的氮的吸附等溫線與對應的孔隙大小分布曲線；

圖4. 性能測試

(a-b)在0.1M KOH溶液中FeNiS₂ NS/rGO, FeNiS₂ NS+rGO, RuO₂，FeNiS₂ NS的LSV曲線以及相應的塔菲爾斜率曲線；

(c-d)在1M KOH溶液中FeNiS₂ NS/rGO, FeNiS₂ NS+rGO, RuO₂，FeNiS₂ NS的LSV曲線以及相應的塔菲爾斜率曲線；

(e) 不同電催化劑在0.1 M和1.0 M KOH達到10 mA cm^?2電流密度所需的電勢；

(f) 阻抗圖[0.6 V (vs. Ag/AgCl) in 0.1 M KOH]；

圖5. 性能測試

(a)在1M KOH溶液中，FeNiS₂ NS/rGO在循環前后（5000次）的LSV曲線；

(b)在1M KOH溶液中，FeNiS₂ NS/rGO循環5000后的TEM圖；

(c-f) 在1M KOH溶液中，FeNiS₂ NS/rGO穩定性測試前后的XPS表征；

【總結】

FeNiS₂ NS在OER測試后的表征表明結構的無定型化，氧化物的形成和活性成分的溶解是因為在OER過程中催化劑的氧化作用。 為解決這個問題，研究人員通過一步膠體法設計三維(三維)鐵鎳硫化物納米片/還原氧化石墨烯(FeNiS₂ NS/rGO)的納米雜化。這樣的電催化劑可以提供更多的活性位點，防止活性成分的溶解，而且保留非晶結構的優點和提高導電性能。消除了催化劑在OER過程中的負面影響，在堿性條件下，產生了超高的OER活性和極好的穩定性。

文獻鏈接：Ultrahigh Electrocatalytic Oxygen Evolution by Iron-Nickel Sulfide Nanosheets/ Reduced Graphene Oxide Nanohybrids with an Optimized Autoxidation Process (Nano Energy. 2017., DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.049)

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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