南京大學王學斌課題組Nano Energy：新穎超輕三維電極用于高效電催化水分解

【成果簡介】

近日，王學斌教授課題組在電催化水分解研究領域取得新進展，課題組將NiFeP超薄納米片負載于新型基底三維筋撐石墨烯上得到自支撐三維水分解電極，相關工作以《Monolithic electrode integrated of ultrathin NiFeP on 3D strutted graphene for bifunctionally efficient overall water splitting》為題發表在Nano Energy上?(Nano Energy,?2019, 58, 870)。

能源是人類社會生存和發展的重要物質基礎，是人類社會發展和進步的重要支撐。儲量有限的傳統化石能源大規模使用帶來了環境污染和溫室效應等問題，嚴重阻礙了人類社會的可持續發展。氫氣作為一種清潔的二次能源，具有較高的質能比，并且燃燒產物無污染，已被視為一種理想的能源載體，通過電催化水分解制氫是一項非常有前景的途徑。然而電催化分解水面臨OER和HER的反應動力學緩慢和過電位較高的問題，而且大部分催化劑均在酸性或堿性條件下工作，增加了能源消耗和生產成本。去年，課題組針對水分解催化劑工作條件（酸性或堿性）的問題，發展了CoO/Co₄N異質結構電催化劑，在中性體系中實現了電催化高效全分解水，相關工作以《CoO-modified Co₄N as a heterostructured electrocatalyst for highly efficient overall water splitting in neutral media》為題發表在Journal of Materials Chemistry A上（Journal of Materials Chemistry A, 2018,?6, 24767.）。

為了進一步降低電催化OER和HER的過電位和提升反應動力學性能，王學斌教授課題組在前期三維筋稱石墨烯研究工作(Nature Communications, 2013, 4, 2905; Nano Energy, 2015, 16, 81;?Bulletin of the Chemical Society of Japan, 2018,92 , 245)的基礎上，通過實驗設計合成了超輕的三維自支撐電極NiFeP/SG，直接作為反應電極用于高效電催化析氧、析氫反應和全分解水。

【圖文導讀】

圖1 3D NiFeP/SG電極的制備過程及用于電催化全分解水

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圖2 NiFeP/SG的制備過程

3D SG由于具有較大比表面積、多孔結構、較高電導率和優異的穩定性，課題組率先將其作為基底，通過將超薄的NiFeP納米片直接生長在SG表面，得到3D NiFeP/SG自支撐水分解電極。研究發現，鐵元素的引入有效調節了Ni₂P的電子結構，使其d帶中心上浮，導致吸附中間體的吸附能減少，降低了反應勢壘，提高了電催化活性。而且超薄的NiFeP納米片結構、SG的多孔結構和SG上NiFeP的直接生長進一步提升了NiFeP/SG的催化活性。當直接作為催化電極時，在10 mA cm^-2電流密度下，OER和HER分別僅需過電位為218和115 mV，全分解水的電壓僅需1.54 V。利用RRDE技術分別證明了3D NiFeP/SG的OER和HER過程具有較高的法拉第效率。同時與NiFeP/NF和NiFeP/Ti相比，3D?NiFeP/SG具有較小的阻抗和較大的質量活性。

圖3

（a）NiFeP/SG的OER的極化曲線，（b）RRDE技術測試的樣品NiFeP/SG的OER法拉第效率，（c）NiFeP/SG的HER極化曲線，（d-f）RRDE技術對樣品NiFeP/SG進行HER法拉第效率的測試

南京大學現代工程與應用科學學院2016級博士生李瑞慶為論文的第一作者，王學斌教授為論文通訊作者，合作單位有香港城市大學、日本國立材料研究所，相關工作得到了南京大學胡征教授、上海大學李永樂教授等人的支持，以及南京大學高力波教授、徐潔研究員在拉曼表征方面的大力協助。研究得到了國家自然科學基金委面上及青年項目、中央高校基本科研業務費專項基金、江蘇省優勢學科、江蘇省自然基金等項目的支持。

文獻鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519301363

相關文章：

Nano Energy,?2019, 58, 870-876.

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2211285519301363

Mater. Chem. A, 2018, 6, 24767-24772

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/ta/c8ta08519f

本文由王學斌教授課題組供稿。

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