Nat. Commun.: 樹枝狀核殼NiFeCu金屬/金屬氧化物電極用于高效電催化水氧化

【引言】

分解水以獲取氫氣是一種可持續技術，同時氫能作為一種無碳燃料，為可再生能源的化學儲存提供了一條十分具有吸引力的途徑。在實際應用中，電解水裝置的兩個電極：陽極和陰極分別負載氧析出反應（OER）和析氫反應（HER）催化劑。催化劑的重要作用是降低超電勢以驅動OER和HER兩個半反應。在這兩個半反應中，OER動力學較為緩慢，尤其需要高效的催化劑。在過去的幾十年中，人們為合成高效，穩健并具有成本效益的OER催化劑做出了巨大的努力，而收效甚微。

【成果簡介】

近日，KTH皇家理工學院合作斯坦福大學SLAC國家加速器實驗室，大連理工大學等多家單位，大連理工大學孫立成教授作為通訊作者在Nat. Commun.上發表題為“Dendritic core-shell nickel-iron-copper metal/metal oxide electrode for efficient electrocatalytic water oxidation”的文章。該研究為加速水氧化反應的緩慢動力學，提出了一種十分具有前景的樹狀核殼鎳鐵銅金屬/金屬氧化物電極，以電沉積鎳鐵銅合金作為前體，制備的核殼型鎳鐵銅電極具有多孔氧化物殼層和金屬核心。這種三金屬核殼鎳鐵銅電極在堿性介質中對水氧化具有顯著活性，在10 mA cm^-2的電流密度下，過電位僅為180 mV。該研究成果是目前最有前途的OER催化劑之一。

【圖文導讀】

圖1 NiFeCu母體合金電鏡圖

(a,b) 泡沫鎳上NiFeCu合金的SEM圖(a中的比例尺為10μm，b中為2μm);

(c) NiFeCu尖端的TEM圖(比例尺為500 nm);

(d-g) NiFeCu分支頂端的TEM圖和相應的元素分布(d中比例尺為100 nm)；

圖2 CS-NiFeCu電極的電鏡圖

(a,b) 泡沫鎳上的CS-NiFeCu的SEM圖(a中比例尺為10μm，b中為2μm)；

(c) CS-NiFeCu殼體的TEM圖像(比例尺為50 nm);

(d-h) CS-NiFeCu殼體的TEM圖像和相應的元素分布圖(d中的比例尺為100 nm）

圖3 NiFeCu與CS-NiFeCu電極的HRTEM，XPS和XAS表征

(a) NiFeCu合金HTEM圖(比例尺為2 nm)

(b) CS-NiFeCu電極的HTEM圖(插圖為整個材料的低倍放大圖，比例尺為2 nm)

(c-f) NiFeCu以及CS-NiFeCu的XPS圖

其中CS-NiFeCu電極表面(c) Ni 2p(d)Fe 2p(e)Cu 2p和(f)O 1s的XPS譜圖

(g-i) CS-NiFeCu電極與NiO，Fe₃O₄，Fe₂O₃和CuO的歸一化軟XAS圖;

圖4 OER的電化學表征

(a) CS-NiFeCu，NiFe LDH，NiFe，NiCu電極和泡沫鎳的極化曲線;

(b) 不同電極達到j = 10 mA cm^-2所需的超電勢；

(c) 不同電極在η= 250 mV時的電流密度；

(d) 泡沫鎳，NiCu，NiFe LDH，NiFe和CS-NiFeCu電極的Tafel圖；

(e) 以CS-NiFeCu為催化劑，1.0M KOH介質中各種電流密度下OER的計時電位測量；

(f) 在j=10 mA cm^-2和j=20 mA cm^-2下延長計時電位測量20h;

圖5 影響電極電化學活性面積的因素

(a) CS-NiFeCu和NiFe LDH陽極的電容j vs掃描速率;

(b) NiCu，NiFe和Ni陽極的電容j vs掃描速率--對于a和b，線性斜率相當于雙層電容C_dl的兩倍；

(c) CS-NiFeCu_x電極的極化曲線(CS-NiFeCux電極的制備方法與電沉積電解液中恒定濃度的Ni²⁺（80 mM）和Fe³⁺（25 mM）以及不同濃度的Cu²⁺（0-60 mM）的CS-NiFeCu相同)；

(d) CS-NiFeCu_x的陽極電容(插圖為j=10 mA cm^-2所需的過電壓)；?

圖6 pH依賴的OER活性

(a,b) CS-NiFeCu和NiFe電極以10mVs^-1記錄從O₂飽和的0.032M KOH（pH 12.5）到1M KOH（pH 14）的循環伏安測量;

(c) iR校正后1.55 V(vsRHE)的特定OER活性（電流密度）與pH的函數關系;

圖7 動力學影響因素

(a)CS-NiFe_xCu陽極的極化曲線;

(b)在1 M KOH介質中CS-NiFe_xCu陽極達到j = 10和100 mA cm^-2所需的超電勢；

(c) CS-NiFexCu陽極的C_dI;

(d)在1 M KOH中的CS-NiFexCu電極的Tafel斜率；

【小結】

該研究以電沉積NiFeCu合金為前驅體，發現三金屬基合金可以轉化為用于OER的核殼狀金屬/金屬氧化物催化劑CS-NiFeCu。CS-NiFeCu對水氧化的高催化性能可以歸因于Ni，Fe和Cu之間的協同作用。在CS-NiFeCu電極中的三種金屬元素在通過提高電極活性面積和內在催化活性中起決定性作用。CS-NiFeCu作為工作電極，在1 M KOH堿性溶液中，在過電位僅為180 mV的情況下便達到了10 mA cm^-2的電流密度，該催化劑是迄今為止報道的活性最佳的OER催化劑之一。同時本文所述的納米合成方法也可能適用于開發其他合金基納米材料作為OER或其他電催化過程的催化劑。

?文獻鏈接：Dendritic core-shell nickel-iron-copper metal/metal oxide electrode for efficient electrocatalytic water oxidation (Nature Communication, 2018 ,DOI: 10.1038/s41467-017-02429-9)

本文由材料人編輯部連婷婷編譯，點我加入材料人編輯部。

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