Nature Mater：將鐵鎳基合金作為堿性介質中的高活性、低成本析氧反應催化劑

一、【科學背景】

全球變暖需要可再生電力，理想情況下，通過水電解產生的氫可以有效地儲存。在水電解槽中發生的慢動力學析氧反應(OER)會導致運行效率降低和高電池電壓。雖然IrO₂通常被用作參考OER電催化劑，但必須開發出更可持續、活性、穩定和富含地球元素的催化劑。NiFe基氫氧化物(Ni1-xFexOOH)可用于堿性水電解槽;但Ni1-xFexOOH中活性位點的性質仍然存在爭議。一般來說，鎳鐵基氫氧化物在析氧反應中具有高活性，但需要復雜工藝進行合成，并且當沉積在外部載體上時耐久性較差。怎么獲得成本低廉，工藝簡單的Fe-Ni合金析氧電極，一直是國內外研究的難點。

二、【科學貢獻】

本工作證明了易于加工、廉價的Fe-Ni合金會自發地形成高活性的NiFe氧-氫氧化物表面，在電化學激活下溶解。雖然合金的制造工藝和初始表面狀態對析氧反應性能沒有影響，但NiFe表面層的生長/組成取決于合金元素和初始原子Fe/Ni比，當Fe/Ni比在0.2 ~0.4之間時，析氧反應性能最佳，且具有大量活性位點和高效率。這一發現為堿性水電解槽的Fe-Ni合金析氧電極奠定了基礎。相關成果以“Fe–Ni-based alloys as highly active and low-cost oxygen evolution reaction catalyst in alkaline media”為題發表在國際著名期刊Nature Materials上。

圖1 0.1 M KOH, 25℃條件下OER性能的電化學表征。a，拋光后不同合金的CV掃描；b，從圖1a中提取的Ni III /Ni II還原峰電位，作為掃描電子顯微鏡(SEM)和EDS測定的初始Fe含量的函數；c - e，拋光(c)，時效(d)和激活(e)后導線和板的OER電位；f、拋光、時效和活化后各級Ni III /Ni II反應能力的演變；g、Ni活性位點性能的演化；h，電流密度為10ma cm^?2時的OER電位。?2024 Springer Nature

圖2 Ni/Fe活性表面層微觀結構表征。a - d四個樣品的TEM圖像:W-316L (a)， W-825 (b)， W-718 (c)和W-625 (d)；每張圖像右側的藍色區域勾勒出活性表面層；e, P-625和P-825拋光后和活化后的GI-XRD分析；f,g，活性表層中的衍射圖，表明其具有良好結晶結構(f)和納米晶結構(g)；h，通過將衍射圖與奧氏體相和NiO立方結構進行比較而生成的ASTAR相圖; i, ASTAR晶體取向圖. ?2024 Springer Nature

圖3 TEM-EDS分析；活化樣品的化學成分譜。負深度對應于體積，而正深度對應于活性表面層。?2024 Springer Nature

圖4? Ni、Fe和Cr峰的XPS光譜反褶積。a - c為W-718的XPS分析:Ni₂p (a)、Fe₂p (b)和Cr₂p (c)；d - f為W-625的XPS分析:Ni₂p (d)、Fe₃p (e)和Cr₂p (f)。?2024 Springer Nature

圖5 活性表面層化學成分對關鍵電化學參數的影響；a，鎳III /鎳II還原峰電位與鐵含量(at.%)的函數關系，由XPS測定的原子鐵/鎳比確定。為了計算鐵的原子百分率，我們考慮一種只含鐵和鎳的合金；b, Ni活性位點活性隨表面層原子Fe/Ni比的函數。c, OER性能與氧化層化學成分的相關性。OER電位(在5 mA cm^-2時)顯示為XPS測量的原子Fe/Ni比的函數。?2024 Springer Nature

三、【創新點】

1.發現了析氧反應性能最佳的Fe/Ni原子質量比；

2.創造性的提出了利用Fe–Ni基合金作為高活性、低成本的堿性電解質催劑；

四、【科學啟迪】

無論初始合金的鐵和鎳含量如何，在施加交變電位(在與可再生電力耦合的水電解槽上進行)時，都可以很容易地獲得顯著的OER活性(優于商用IrO₂)和合理的耐久性。這一創新成果不僅為低成本、高活性堿性電解質的開發提供了思路，還促進了氫能源的可持續應用。

論文詳情：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01744-5

本文由虛谷納物供稿。