香港城大朱劍豪Nano Energy：Ni摻雜非晶FeP納米顆粒負載的TiN納米線陣列用于堿性體系HER
【引言】
在電解水產氫（HER）催化劑中，貴金屬鉑族催化劑的催化性能最優異，但由于儲量少、價格昂貴等因素限制其大規模推廣使用。因此，近年來開發具有低成本、高催化活性和長壽命的非貴金屬基催化劑材料成為HER領域的研究熱點和重點。鐵基催化劑，尤其是磷化鐵，由于儲量豐富、價格低廉、適用于寬pH范圍體系，因而被認為是一種非常具有前景的HER催化劑。然而在以往報道中，關于磷化鐵HER的研究工作主要集中在酸性體系中。酸性電解水體系對系統的硬件設施防腐性能要求較高且容易造成環境污染，因此堿性介質中HER最近受到更多的關注。然而，不同于酸性體系，在堿性介質中諸多催化劑的HER動力學過程緩慢、催化活性低等導致法拉第效率較低。由于Ni-Fe-P雙金屬化合物可表現出較單金屬化合物有更高的HER活性；亦有相當報道，非晶態催化劑表現出比結晶態催化劑更優異的性能。
【成果簡介】
近日，在香港城市大學等離子體實驗室朱劍豪教授和武漢工程大學光電與新能源材料研究所彭祥博士（共同通訊作者）團隊的帶領下，與華中科技大學霍開富教授和香港理工大學Kwok-yin Wong教授合作，通過高能金屬離子注入法首次實現了對負載在多孔導電基體TiN納米線陣列上的FeP納米顆粒同時進行可控鎳摻雜和表面非晶化處理，成功設計和構建了鎳摻雜非晶FeP納米顆粒負載的氮化鈦納米線陣列（Ni-FeP/TiN/CC）復合材料。該復合材料在堿性體系中表現出優異的HER性能。達到10 mA/cm2的析氫電流僅需要75mV的過電位，并且具有與商用Pt/C催化劑接近的Tafel斜率；在300 mV的高過電位下連續析氫10小時其電流值仍能保持初始值的93%，而且催化劑的形貌也沒有發生明顯變化。為深入理解該催化劑高效HER的內在機制，研究人員從材料的導電性、電化學活性面積、Ni-Fe協同作用等方面進行了詳細的探討。相關成果以題為“Ni-Doped Amorphous Iron Phosphide Nanoparticles on TiN Nanowire Arrays: An Advanced Alkaline Hydrogen Evolution Electrocatalyst”發表在了Nano Energy上。
?【圖文導讀】
圖1 制備分級Ni-FeP/TiN/CC電催化劑的示意圖
圖2形貌表征
（a-b）TiN/CC的SEM；
（c-d）FeP/TiN/CC的SEM；?
（e-f）Ni-FeP/TiN/CC的SEM。
圖3結構表征
（a）TiN/CC，Fe3O4/TiN/CC，FeP/TiN/CC和Ni-FeP/TiN/CC的XRD圖：@：石墨，$：TiN（87-0628），＃：Fe3O4（89-0691），*：FeP（89-2746）;
（b）Ni-FeP/TiN/CC的TEM圖像;
（c，d）分別為FeP/TiN/CC和Ni-FeP/TiN/CC的HR-TEM圖像。
圖4 XPS表征
（a）Ni-FeP/TiN/CC和FeP/TiN/CC的XPS全譜；
（b）結合能在820和880eV范圍內的Ni-FeP/TiN/CC和FeP/TiN/CC的XPS全譜；
（c）Ni-FeP/TiN/CC中Ni?2p的高分辨率XPS；
（d）FeP/TiN/CC和Ni-FeP/TiN/CC中Fe?2p的高分辨率XPS；
（e）Ni-FeP/TiN/CC中P?2p的高分辨率XPS。
圖5電化學性能表征
（a）極化曲線；
（b）塔菲爾曲線；
（c）不同Ni離子注入量的Ni-FeP/TiN/CC的極化曲線；
（d）Ni-FeP/TiN/CC的穩定性測試，插圖為測試之前和之后的LSV曲線。
【小結】
首先在碳布上生長多孔TiN納米線陣列結構（TiN/CC）作為構筑三維柔性自支撐電極的基體材料，然后在該基體上負載FeP納米顆粒，最后采用高能金屬離子注入法對FeP納米顆粒表層同時進行鎳摻雜和非晶化處理得到Ni-FeP/TiN/CC。結果表明該復合材料在堿性體系中表現出優異的HER性能。作者認為高效HER歸因于Ni-Fe-P原子的協同增強效應、高活性的非晶表面、基體材料的高導電性保證電荷的無障礙傳輸、以及Ni摻雜非晶FeP納米顆粒和導電TiN/CC基體的牢固結合。
?文獻鏈接：Ni-Doped Amorphous Iron Phosphide Nanoparticles on TiN Nanowire Arrays: An Advanced Alkaline Hydrogen Evolution Electrocatalyst（Nano Energy, 2018, DOI：10.1016/j.nanoen.2018.08.028）
【團隊介紹】
香港城市大學等離子體實驗室
http://www6.cityu.edu.hk/appkchu/plasma/Paul%20Chu/paul_chu.htm
團隊負責人簡介，朱劍豪，香港城市大學物理系、材料科學與工程系首席教授。入選中國國家千人計劃（2016年）、廣東省領軍人才（2016年）、深圳孔雀團隊帶頭人（2016年）、香港工程科學院（HKAES）院士（2014年）、材料研究學會（MRS）會士（2013年）、美國物理學會（APS）會士（2008年）、美國真空學會（AVS）會士（2006年）、電氣與電子工程學會（IEEE）會士（2003年）、香港工程師學會（HKIE）會士（1999年）。獲得教育部自然科學一等獎（2017年）、上海自然科學一等獎（2011年）等獎項。授權14項美國專利、11項中國專利、1項歐洲專利。發表35部專著、1600余篇SCI論文，論文被SCI引用47300余次，H-index為88。自2016年來連續兩年入選材料科學高引用科學家。應邀在國際學術會議做大會、主旨、邀請報告1000余次。研究方向為材料表面等離子體處理、材料表/界面工程以及功能材料在生物、能源領域的應用。
武漢工程大學光電與新能源材料研究所
武漢工程大學光電與新能源材料研究所成立于2015年9月，依托材料科學與工程一級學科博士點，利用武漢工程大學在材料、化學、工程技術等學科方面的研究優勢，開展以有機光電和納米新能源為主的研究工作。從分子水平和納米層次設計和制備新型有機光電功能材料和納米新能源材料；開發低成本、綠色環保的器件加工工藝，實現大面積柔性制備；發展新型化學電源等能量儲存、轉換器件及制備工藝。做到基礎研究和應用研究并重，不斷探索，不斷創新，積極推進產業化進程，并為工程實際提供綜合解決方案。 光電與新能源材料研究所（IM-ONE）的建設得到湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊計劃、湖北省自然科學基金創新群體、武漢市“黃鶴英才”科技創新團隊等項目資助。
本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯，材料牛整理編輯。
材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。
儀器設備、試劑耗材、材料測試、數據分析，找材料人、上測試谷！
文章評論(0)