東南章煒、南大葛海雄、杭電張鑒電催化AM

創新點

通過仿生深海海綿的形貌結構和質量傳遞機制，制備出了一種新的分層結構催化電極，以提高電化學水分解性能。

關鍵詞

電催化，仿生海綿，質量傳遞

【圖文導讀】

圖1 a)海綿管通過它們的身體保持水流，以獲得食物和氧氣，并清除廢物。b) NiFe-P_Zn包覆高深寬比PNTA的仿生管狀海綿狀催化電極。c) NiFe-P_Zn@PNTA電極的電子傳遞路徑(左)和NiFe-P_Zn表面的OER過程(右)。

氣泡釋放受阻和電子傳導過程受限是大規模電化學水分解的主要瓶頸。最近，受深海海綿管狀結構的啟發，東南大學，南京大學和杭州電子科技大學團隊通過結合熱納米壓印和電鍍等工藝制備出了多尺度結構層次，實現了仿生催化電極表面氣泡的解吸和電子的連續傳遞。電極由一種異常活躍且無粘結劑的多孔鎳管陣列(PNTA)及在其表面負載的多孔納米片(NiFe-P_Zn)構成。其中，模擬海綿軀干的PNTA促進了氣泡的去除和電子轉移，模擬海綿表皮的NiFe-P_Zn增加了催化活性位點的數量。通過改進外部傳質和內部電子傳遞， NiFe-P_Zn@PNTA電極表現出優越的析氧反應性能，在10 mA?cm^-2時的過電位為172 mV (Tafel斜率為50 mV?dec^-1)。

圖2 a) NiFe-P_Zn@PNTA電極的制作過程。b-d)對應的NTA、PNTA和NiFe-P_Zn@PNTA微觀結構的SEM圖像。

在電解液中，NiFe-P_Zn@PNTA表面與氣泡之間約164.5°的氣泡接觸角(CA)表現出了超疏氣性。同一表面在空氣中電解液液滴接觸角為CA ~1°展現出親水性，當電解液液滴到達電極表面時，可迅速被吸收并滲透到整個電極表面。經過電催化水分解反應后，在NiFe-P_Zn@PNTA電極表面除邊緣外未觀察到明顯氣泡，表明超疏氣/親水表面確實促進了催化反應中電極表面的氣泡釋放。用原位光學顯微鏡觀察了電極上氣泡的形成和分離。NiFe-P_Zn@PNTA電極中形成的氣泡可以快速釋放，氣泡在管內上升過程中相互融合，體積增大所受浮力增大，從而加速氣泡在管內快速運動。大量快速移動的氣泡拖動電解液流動，在PNTA內產生負壓，導致外部電解液通過多孔管壁進入PNTA，維持快速氣泡釋放行為。在此過程中，電解液強制與NiFe-P_Zn@PNTA多孔微管壁內的活性位點相互作用，導致三相界面反應增強，有效生成O₂。NiFe-P_Zn@PNTA的氣泡釋放要比NiFe-P_Zn@NTA快得多，是由于后者的固體管壁阻擋了外部電解質的進入。因此NiFe-P_Zn@PNTA的電流密度值比NiFe-P_Zn@NTA高得多。

圖3 a) NiFe-P_Zn@PNTA電極的氣泡和電解質接觸角(左)。NiFe-P_Zn@PNTA電極表面電解液快速吸收過程的照片(右)。b) OER反應后NiFe-P_Zn@PNTA表面和邊緣的照片。c) NiFe-P_Zn@PNTA電極上氣泡從產生到快速釋放過程的光學顯微鏡圖像。d)有電解補充通道的NiFe-P_Zn@PNTA和沒有電解補充通道的NiFe-P_Zn@NTA示意圖。e) NiFe-P_Zn@PNTA和NiFe-P_Zn@NTA在1.3 V RHE -1.6 V RHE時的電流密度。

在電流密度為10 mA?cm^-2時，NiFe-P_Zn@PNTA的過電位達到172 mV，優于NiFe@PNTA (260 mV)和裸PNTA (497 mV)。同時，NiFe-P_Zn@PNTA展現出最小的Tafel斜率(50 mV?dec^-1)，這是由于對含氧物質更容易吸附/解吸。用電化學阻抗譜(EIS)評估了電極的電荷轉移行為，NiFe-P_Zn@PNTA的電荷轉移電阻(R_ct)約為0.2 Ω，小于NiFe@PNTA (0.3 Ω)和PNTA (0.5 Ω)。此外，NiFe-P_Zn@PNTA電極的電化學活性表面積(ECSA)為66.00 cm²，大于NiFe@PNTA (47.75 cm²)和裸PNTA (7.25 cm²)。

制備的仿生催化電極具有優異的機械性能和耐久性。所制備的催化電極在100 mA?cm^-2(電位為1.52 V vs. RHE)，連續工作360小時表現出良好穩定性。NiFe-P_Zn@PNTA在卷曲和展開循環1000次后，OER性能和結構保持不變。這項工作為設計高效水分解的分層結構電催化電極提供了一種新策略。

圖4 a) NiFe-P_Zn@PNTA、NiFe@PNTA和PNTA電極的LSV曲線。b) Tafel圖。c) Nyquist圖。插圖:等效電路模型。d) ESCA。e) NiFe-P_Zn@PNTA電極在一定過電位下(290 mV vs RHE)持續360小時以上的計時安培測試和5000 CV循環前后的LSV曲線(插圖)。f) NiFe-P_Zn@PNTA電極在1000次彎曲狀態下的LSV曲線和照片。g)電流密度為10 mA cm^-2時的過電位比較和(h)與最近報道的過渡金屬基催化劑在不同電流密度下的催化穩定性。

該工作以“Tube-Sponge-Inspired Hierarchical Electrocatalysts with Boosted Mass and Electron Transfer for Efficient Oxygen Evolution”為題發表在《Advanced Materials》上。文章第一作者是南京大學2020級博士研究生周亞亞，通訊作者是東南大學章煒教授、南京大學葛海雄教授和杭州電子科技大學張鑒教授。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等支持。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202209500