Nano Energy : 磁場誘導快速合成富缺陷Ni-Co納米線作為高效析氫電催化劑

【引言】

制備具有精細微/納米結構的催化劑成為提高電催化活性的有效途徑。通過創造豐富的電化學活性位點，可以使催化劑的性能優于具有致密結構(例如金屬箔，泡沫和網狀物)同類催化劑的性能。特別的，基于一維(1D)納米催化劑的電極表現出巨大的潛力，因為這些一維模塊能夠促進足夠的離子/氣體擴散和快速電荷轉移，在電解過程中特別有利于Volmer步驟。目前，一維金屬鎳基納米催化劑主要通過模板定向沉積方法制備，其通常涉及犧牲模板的制備和去除，且產量較低。

【成果簡介】

近日，新加坡南洋理工大學范紅金副教授、清華深研院楊誠副研究員(共同通訊作者)等以一種快速的一步法制備了高導電性Ni-Co納米線自支撐膜，其通過還原Ni/Co納米粒子在旋轉磁場下自組裝而形成，并在Nano Energy上發表了題為“Magnetic-Field-Induced Rapid Synthesis of Defect-Enriched Ni-Co Nanowire Membrane as Highly Efficient Hydrogen Evolution Electrocatalyst”的研究論文。Ni-Co納米線由Co納米顆粒和NiCo合金納米顆粒區域組成，由于合金化不完全以及組裝過程中奧斯特瓦爾德熟化不充分而具有豐富的固有界面缺陷。作者將具有不同Ni/Co比的納米線作為HER電極進行測試，并與純鎳網和泡沫鎳電極進行比較，其中Ni_0.50Co_0.50納米線電極具有最佳的性能，優于最佳的金屬鎳基電極。上述納米線電極HER活性在近100小時內幾乎沒有降低。這種簡單的技術為面向工業應用的高活性、耐用金屬鎳基電催化劑可擴展生產的關鍵步驟提供了參考。

【圖文簡介】

圖1 Ni-Co納米線自支撐膜的制備過程

Ni-Co納米線自支撐膜的磁場輔助溶液法制備過程示意圖。

圖2 Ni-Co納米線自支撐膜的結構

a) 不同Ni/Co比的Ni-Co納米線自支撐膜的XRD圖譜；

b) NiCo 合金(FCC)和Co金屬(HCP)的晶體結構示意圖。

圖3 Ni-Co納米線自支撐膜的形貌

a) Ni_0.5Co_0.5納米線自支撐膜的數碼照片；

b,c) Ni_0.5Co_0.5納米線自支撐膜的SEM圖像，c圖內插為Ni_0.5Co_0.5納米線自支撐膜中納米線的直徑分布；

d) Ni_0.5Co_0.5納米線自支撐膜的TEM圖像；

e) Ni_0.5Co_0.5納米線自支撐膜的HRTEM圖像；

f) Ni_0.5Co_0.5納米線自支撐膜的SAED圖像；

g) Ni_0.5Co_0.5納米線自支撐膜的元素分布圖像。

圖4 Ni-Co納米線自支撐膜的表面元素分析

a) Ni_0.5Co_0.5納米線自支撐膜(表面)的XPS全譜；

b) Ni_0.5Co_0.5納米線自支撐膜隨深度變化的Ni 2p XPS光譜；

c) Ni_0.5Co_0.5納米線自支撐膜隨深度變化的Co 2p XPS光譜；

d) Ni_0.5Co_0.5納米線自支撐膜隨刻蝕時間變化的Ni、Co和O原子比，內插：Ni_0.5Co_0.5納米線自支撐膜由表面向內部的刻蝕過程。

圖5 Ni-Co納米線自支撐膜的電催化HER性能

a) 不同催化劑的極化曲線；

b) 不同催化劑的Tafel斜率；

c) 不同催化劑電流密度隨掃速的變化；

d) 不同催化劑的催化活性比較。

圖6 Ni-Co納米線自支撐膜的電化學穩定性測試

a) 不同過電勢下，電極的計時曲線；

b) 電極循環96 h前后的極化曲線，內插為電極上氫氣產生強度的照片；

c) 循環前后的XRD圖譜。

【小結】

作者采用磁場輔助法制備了Ni/Co比例可調的自支撐Ni_xCo_1-x納米線膜，并證實其在堿性電解質中可作為HER電催化劑。得益于大表面積(奧斯特瓦爾德熟化不充分)，快速電荷/質量傳輸能力(金屬相)以及可能的晶格缺陷增強效應，所得的Ni/Co納米線電極顯示出比商業化的鎳網、泡沫鎳或純鎳納米線網更低的過電勢和更高的電流密度。納米線電極呈現穩定的催化性能(接近100 h)，而表面組成、納米結構未發生變化。上述無粘合劑、自支撐納米線膜在取代目前使用的工業堿性電解水用金屬鎳基陰極方面具有很大的前景。該技術還可用于合成各種鐵磁金屬基納米線電極，有望在分解水、超級電容器和金屬電池得到廣泛應用。

文獻鏈接： Magnetic-Field-Induced Rapid Synthesis of Defect-Enriched Ni-Co Nanowire Membrane as Highly Efficient Hydrogen Evolution Electrocatalyst (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.06.080)

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