重慶科技大學Inorganic Chemistry Frontiers||非晶組分可調的Ni-Fe-P納米片修飾NiP微球用于高效穩定的堿性淡水/海水制氫

01 導讀

氫的高能量密度和無碳排放的特點已成為是傳統化石燃料的可行替代品之一。電解水過程包括陰極的析氫反應（HER）和陽極的（OER）反應，是一種沒有溫室氣體排放的且可持續的氫氣制備方法。到目前為止，用于HER的Pt基催化劑和用于OER的IrO₂/RuO₂被認為是最有效的電催化劑。然而，它們的高成本和稀缺的儲量阻礙了它們的廣泛應用。

海水占地球水資源總量的96.5%，在體積占有量上遠遠超過淡水，這使得海水的直接電解成為一種經濟上優于純水電解的生產高純度氫氣的方法。然而，在陽極產生的活性氯物種(約0.5 M)以及OER和析氯反應(ClER)之間的競爭對海水電解造成了很大的障礙。在堿性條件下，Cl?易于與OH?反應，在大約490 mV的起始電位下形成ClO?。因此，需要高活性的OER催化劑來最大限度地降低OER的過電位，避免在電解過程中形成次氯酸鹽。此外，海水中普遍存在的Cl?濃度會腐蝕電極，對電催化劑的活性和穩定性產生不利影響。因此，開發和合成在淡水和海水中都能保持高活性和高穩定性的非貴金屬電催化劑至關重要，但仍然是一個挑戰。

02 成果掠影

重慶科技大學陸世玉、金夢等人采用一步快速電沉積法在鎳泡沫上制備了可調組分的非晶Ni-Fe-P納米片修飾NiP微球（A-NiFeP/NiP）電催化劑。其獨特的無定形結構和可調的組分對于增強電子結構和增加催化劑上活性位點的數量至關重要。泡沫鎳上NiFeP/NiP的集成和自支撐性質顯著增強了傳質并使電催化過程中的電阻最小化。此外，無定形NiFeP/NiP的優異耐腐蝕性有助于其在長時間內保持優異的穩定性。在堿性淡水和海水環境中，高鐵含量的無定形NiFeP（A-NiFeP/NiP-Fe:25%）分別在241.8和248.6 mV的低OER過電位下達到10 mA cm^?2的電流密度，而低鐵含量的NiFeP（A-NiFeP/NiP-Fe:10%）在相同的電流密度下表現出更低的69.5和80.4 mV的HER過電位。對于淡水和海水中的整體水分解，由A-NiFeP/NiP-Fe:10%和A-NiFeP/NiP-Fe:25%組成的耦合電解槽在10 mA cm^?2下可以分別以1.55和1.62 V的極低電壓運行，并表現出超過500小時的優異穩定性。該性能超過了幾乎所有以前報道的非貴金屬電催化劑，甚至超過了在相同條件下電解的基準Pt/C和RuO₂耦合電極。

03 圖文解析

圖1 無定形NiFeP/NiP（A-NiFeP/NiP）的合成示意圖。

圖2 （a）A-NiFeP/NiP-Fe:10%和（b）A-NiFeP/NiP-Fe:25%的SEM圖。（c）A-NiFeP/NiP-Fe:10%，A-NiFeP/NiP-Fe:25%，NiP，FeP和NF的XRD圖。（d，e）A-NiFeP/NiP-Fe:10%和（g，h）A-NiFeP/NiP-Fe:25%的TEM圖。A-NiFeP/NiP-Fe:10%（e的插圖）和A-NiFeP/NiP-Fe:25%（h的插圖）的相應FFT圖。（f）A-NiFeP/NiP-Fe:10%和（i）A-NiFeP/NiP-Fe:25%中Ni, Fe和P的元素映射。

圖3 （a）A-NiFeP/NiP-Fe:25%，A-NiFeP/NiP-Fe:10%和NiP的Ni 2p，（b）A-NiFeP/NiP-Fe:25%，A-NiFeP/NiP-Fe:10%和FeP的Fe 2p，以及（c）A-NiFeP/NiP-Fe:25%，A-NiFeP/NiPFe:10%，NiP和FeP的P 2p的XPS光譜圖

圖4 NF、NiP、FeP、A-NiFeP/NiP-Fe:25%和RuO₂電極的（a）OER極化曲線，（b）10和100 mA cm^-2下的過電勢比較，以及（c）塔菲爾斜率。NiP、FeP和A-NiFeP/NiP-Fe:25%的（d）奈奎斯特圖和（e）ECSA。（f）A-NiFeP/NiP-Fe:25%在50 mA cm^-2時的計時電位曲線。（g）A-NiFeP/NiP-Fe:25%在10 mA cm^-2下對OER的過電勢與先前報道的催化劑的比較。

圖5 （a）A-NiFeP/NiP-Fe:25%和（b）A-NiFeP/NiP-Fe:25% OER試驗之后的SEM圖。A-NiFeP/NiP-Fe:25%和A-NiFeP/NiP-Fe:25% OER試驗之后的（c）XRD圖，（d）Ni 2p、（e）Fe 2p和（f）P 2p XPS光譜。

圖6 NF、NiP、FeP、A-NiFeP/NiP-Fe:10%和Pt/C電極的（a）HER極化曲線，（b）10和100mA cm^-2下的過電勢比較，以及（c）塔菲爾斜率。NiP、FeP和A-NiFeP/NiP-Fe:10%的（d）奈奎斯特圖和（e）ECSA。（f）A-NiFeP/NiP-Fe:10%在-50 mA cm^-2時的計時電位曲線。（g）A-NiFeP/NiP-Fe:10%在10 mA cm^-2下對HER的過電勢與先前報道的催化劑的比較。

圖7 （a）A-NiFeP/NiP-Fe:10%和（b）A-NiFeP/NiP-Fe:10% HER穩定性后的SEM圖。A-NiFeP/NiP-Fe:10%和A-NiFeP/NiP-Fe:10% HER穩定性后的（c）XRD圖，（d）Ni 2p、（e）Fe 2p和（f）P 2p XPS光譜。

圖8 在堿性海水中，NF、NiP、FeP、A-NiFeP/NiP-Fe:25%和RuO₂電極的（a）OER極化曲線，（b）在10和100 mA cm^-2過電位下的比較。(c)在堿性海水中，A-NiFeP/NiP-Fe:25%在50 mA cm^-2時的OER計時電位測定曲線。在堿性海水中，NF、NiP、FeP、A-NiFeP/NiP-Fe:10%和Pt/C電極的（d）HER極化曲線，（e）在10和100 mA cm^-2過電位下的比較。(c)在堿性海水中，A-NiFeP/NiP-Fe:10%在-50 mA cm^-2時的HER計時電位測定曲線。

圖9 堿性淡水和海水中，（a）A-NiFeP/NiP-Fe:10%//A-NiFeP/NiP-Fe:25%電解槽和（b）Pt/C//RuO₂電解槽的LSV極化曲線。(c)在堿性淡水中，A-NiFeP/NiP-Fe:10%//A-NiFeP/NiP-Fe:25%在10 mA cm^-2下與先前報道的電解槽槽電壓的比較。（d）火力發電和（e）風力發電驅動A-NiFeP/NiP-Fe:10%//A-NiFeP/NiP-Fe:25%電解槽的演示照片。（f）在堿性淡水和（g）堿性海水中，A-NiFeP/NiP-Fe:10%//A-NiFeP/NiP-Fe:25%電解槽的計時電位圖。

文獻信息

Shi-Yu Lu*, Ling Wang, Chunjie Wu, Jun Zhang, Wenzhao Dou, Tingting Hu, Rong Wang, Yin Liu, Qian Yang and Meng Jin*, Inorganic Chemistry Frontiers, 2024, 10.1039/d4qi00582a

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/qi/d4qi00582a

04作者簡介

陸世玉，特聘教授，研究生導師，西南大學博士，北京大學博士后，入選第七屆中國科協青年人才托舉工程（科協資助，國家青年人才）。研究方向致力于電催化及高效儲能關鍵電極材料的開發和設計，聚焦新能源高效轉化和儲存材料及機制研究，實現氫能源的高效穩定生產與利用器件及高能量密度離子電池的構建。先后在Nat. Synth.，J. Am. Chem. Soc.（IF=15.419），Adv. Mater.（IF=30.849），Adv. Energy Mater.（IF=29.368），Adv. Funct. Mater.（IF=18.808），Nano Energy（IF=17.881），Appl. Catal. B: Environ.（IF=19.503），Small methods（IF=14.188）等國際頂尖SCI期刊發表論文60余篇，論文被引用2700余次，H10-index為45，申請國家專利30余項，主持國家級/省部級科研項目4項，完成產業化合作項目2項，擔任《Carbon Energy》、《物理化學學報》等期刊青年編委，獲第一屆“創青春”中國青年碳中和創新創業大賽全國銅獎（排名第一），西南賽區金獎（排名第一）。

金夢，助理研究員，碩士生導師，重慶大學博士，清華大學博士后。主要研究方向為MOF材料及其衍生物的可控制備與電催化性能研究；過渡金屬催化劑的設計與構建及其電催化生物質轉化、有機電合成的研究，在過渡金屬納米電催化劑的可控制備、表界面結構的精準調控及增強電催化性能方面具有豐富的經驗。主持/主研科研項目5項，在Advanced Energy Materials(IF=29.368，ESI高被引), Applied Catalysis B:Environmental(IF=19.503，ESI高被引)，Small Methods(IF=15.367)，Science China-Chemistry(IF=10.138)等國際頂尖SCI期刊發表論文20余篇，申請國家專利20余項，授權6項。