Nano Energy：集成OER與HER活性組分構建異質結用作高效的全解水催化劑

【引言】

氫是理想的清潔能源載體，電催化分解水是一種低成本且清潔的獲取氫能源的方式。電催化分解水包括陰極析氫反應（HER）和陽極析氧反應（OER）兩個半反應，然而析氫和析氧反應的過電位較高，導致反應的能耗較大。利用傳統的貴金屬催化劑可降低水分解反應的過電位，但是貴金屬催化劑高的價格、低的儲量限制了其大規模的應用。采用兩種不同的非貴金屬分別作為陰極和陽極催化劑可以降低催化劑成本，但是陰極陽極催化劑的不同會使得材料的制備比較麻煩，而且兩極在電催化過程中可能的污染不利于認識材料結構和性能之間的關系。采用雙功能的非貴金屬催化劑可以在一定程度上克服以上問題，但是大多數雙功能電催化劑通常對一個半反應具有出色的活性但對另一半反應的催化活性一般，從而表現出適中的全解水性能。因此，將OER活性組分與HER活性組分整合構建異質結結構催化劑，并通過兩者的協同效應實現性能的互相增強，可獲得同時具有優異的催化HER和OER反應的催化劑，有助于大幅度降低水分解的過電位，提高水分解的效率。

【成果簡介】

近日，來自黑龍江大學的田春貴和付宏剛教授等人在Nano Energy上發文，題為：“Integrating the active OER and HER components as the heterostructures for the efficient overall water splitting”。研究人員提出將OER活性組分與HER活性組分整合構建異質結，通過兩種活性組分之間的協同作用來提高催化劑催化活性的策略。他們以錨定在碳纖維布上的NiMoO為單一前驅體，通過控制氮化條件將OER活性組分（Ni₃N）與HER活性的組分（NiMoN）整合，構建了Ni₃N-NiMoN異質結，由于Ni與Mo來源于同一個前驅體，因此在氮化過程中Ni₃N與NiMoN之間形成緊密接觸的異質結有助于協同效應發揮從而促進高效的電催化作用。該自支撐電極在堿性電解液（1M KOH）下表現出超高的電催化析氫性能（電流密度為10 mA cm^-2時的過電位為31 mV）和析氧性能（電流密度為10 mA cm^-2時的過電位為277 mV）以及良好的穩定性。他們以Ni₃N-NiMoN異質結作為陰極和陽極進行全解水，發現電流密度為10 mA cm^-2時，所需的電壓僅為1.54 V，表現出優異的全解水催化性能。

【圖文導讀】

圖1. Ni₃N-NiMoN-5結構表征

(a, b) Ni₃N-NiMoN-5的SEM圖；

(c, d) Ni₃N-NiMoN-5的TEM圖；

(e) Ni₃N-NiMoN-5的HR-TEM圖；

(f) Ni₃N-NiMoN-5的Mo, Ni和N的元素分布圖；

圖2. Ni₃N-NiMoN-5 XPS圖譜

(a) 寬譜圖；

(b) Ni 2p的高分辨譜圖；

(c) Mo 3d的高分辨譜圖；

(d) N 1s-Mo 3p的高分辨譜圖；

圖 3. HER性能測試

(a) NiMoO-1, Ni₃N-NiMoN-4, Ni₃N-NiMoN-5, Ni₃N-NiMoN-6和Pt/C在 1 M KOH中的極化曲線

(b) Ni₃N-NiMoN-4, Ni₃N-NiMoN-5, Ni₃N-NiMoN-6和Pt/C的塔菲爾斜率；

(c) Ni₃N-NiMoN-4, Ni₃N-NiMoN-5 and Ni₃N-NiMoN-6的雙電層電容電流與掃速之間的線性關系圖；

(d)Ni₃N-NiMoN-5 5000圈CV循環前后的極化曲線；插圖：Ni₃N-NiMoN-5 20小時的i-t曲線；

圖4. OER性能測試

(a) NiMoO-1, Ni₃N-NiMoN-4, Ni₃N-NiMoN-5, Ni₃N-NiMoN-6和RuO₂在1 M KOH中的極化曲線；

(b) Ni₃N-NiMoN-5 5000圈CV循環前后的極化曲線；插圖：Ni₃N-NiMoN-5 20小時的i-t曲線；

(c) Ni₃N-NiMoN-5在1M KOH中作為HER和OER雙功能催化劑的線性掃描曲線；

(d) Ni₃N-NiMoN-5 20小時的i-t曲線；

【總結】

研究人員通過集成OER活性的Ni₃N和HER活性的NiMoN構建異質結構實現了高效的電催化水分解。利用密度泛函理論計算初步揭示了該催化劑具有優異的析氫電催化性能的原因，氫在Ni₃N-NiMoN異質結上的吸附自由能明顯低于單獨的Ni₃N和NiMoN。此外，通過實驗觀察發現在OER過程中，由于NiMoN的存在能很好的保護高OER活性的Ni₃N，從而使得催化劑表現出優異的OER性能以及良好的穩定性。該Ni₃N-NiMoN異質結的構筑從實驗和理論層面闡釋了將OER活性組分與HER活性組分集成起來，由于兩種活性組分之間的協同影響作用提高了催化性能。該研究工作為設計高性能的、低成本的非貴金屬全解水催化劑提供了新的研究思路。該工作被選為Nano Energy 的封面文章。

文獻鏈接：Integrating the active OER and HER components as the heterostructures for the efficient overall water splitting (Nano Energy , ?2017 , ? DOI:10.1016/j.nanoen.2017.11.045)

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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