Nano Energy：集成OER与HER活性组分构建异质结用作高效的全解水催化剂

【引言】

氢是理想的清洁能源载体，电催化分解水是一种低成本且清洁的获取氢能源的方式。电催化分解水包括阴极析氢反应（HER）和阳极析氧反应（OER）两个半反应，然而析氢和析氧反应的过电位较高，导致反应的能耗较大。利用传统的贵金属催化剂可降低水分解反应的过电位，但是贵金属催化剂高的价格、低的储量限制了其大规模的应用。采用两种不同的非贵金属分别作为阴极和阳极催化剂可以降低催化剂成本，但是阴极阳极催化剂的不同会使得材料的制备比较麻烦，而且两极在电催化过程中可能的污染不利于认识材料结构和性能之间的关系。采用双功能的非贵金属催化剂可以在一定程度上克服以上问题，但是大多数双功能电催化剂通常对一个半反应具有出色的活性但对另一半反应的催化活性一般，从而表现出适中的全解水性能。因此，将OER活性组分与HER活性组分整合构建异质结结构催化剂，并通过两者的协同效应实现性能的互相增强，可获得同时具有优异的催化HER和OER反应的催化剂，有助于大幅度降低水分解的过电位，提高水分解的效率。

【成果简介】

近日，来自黑龙江大学的田春贵和付宏刚教授等人在Nano Energy上发文，题为：“Integrating the active OER and HER components as the heterostructures for the efficient overall water splitting”。研究人员提出将OER活性组分与HER活性组分整合构建异质结，通过两种活性组分之间的协同作用来提高催化剂催化活性的策略。他们以锚定在碳纤维布上的NiMoO为单一前驱体，通过控制氮化条件将OER活性组分（Ni₃N）与HER活性的组分（NiMoN）整合，构建了Ni₃N-NiMoN异质结，由于Ni与Mo来源于同一个前驱体，因此在氮化过程中Ni₃N与NiMoN之间形成紧密接触的异质结有助于协同效应发挥从而促进高效的电催化作用。该自支撑电极在碱性电解液（1M KOH）下表现出超高的电催化析氢性能（电流密度为10 mA cm^-2时的过电位为31 mV）和析氧性能（电流密度为10 mA cm^-2时的过电位为277 mV）以及良好的稳定性。他们以Ni₃N-NiMoN异质结作为阴极和阳极进行全解水，发现电流密度为10 mA cm^-2时，所需的电压仅为1.54 V，表现出优异的全解水催化性能。

【图文导读】

图1. Ni₃N-NiMoN-5结构表征

(a, b) Ni₃N-NiMoN-5的SEM图；

(c, d) Ni₃N-NiMoN-5的TEM图；

(e) Ni₃N-NiMoN-5的HR-TEM图；

(f) Ni₃N-NiMoN-5的Mo, Ni和N的元素分布图；

图2. Ni₃N-NiMoN-5 XPS图谱

(a) 宽谱图；

(b) Ni 2p的高分辨谱图；

(c) Mo 3d的高分辨谱图；

(d) N 1s-Mo 3p的高分辨谱图；

图 3. HER性能测试

(a) NiMoO-1, Ni₃N-NiMoN-4, Ni₃N-NiMoN-5, Ni₃N-NiMoN-6和Pt/C在 1 M KOH中的极化曲线

(b) Ni₃N-NiMoN-4, Ni₃N-NiMoN-5, Ni₃N-NiMoN-6和Pt/C的塔菲尔斜率；

(c) Ni₃N-NiMoN-4, Ni₃N-NiMoN-5 and Ni₃N-NiMoN-6的双电层电容电流与扫速之间的线性关系图；

(d)Ni₃N-NiMoN-5 5000圈CV循环前后的极化曲线；插图：Ni₃N-NiMoN-5 20小时的i-t曲线；

图4. OER性能测试

(a) NiMoO-1, Ni₃N-NiMoN-4, Ni₃N-NiMoN-5, Ni₃N-NiMoN-6和RuO₂在1 M KOH中的极化曲线；

(b) Ni₃N-NiMoN-5 5000圈CV循环前后的极化曲线；插图：Ni₃N-NiMoN-5 20小时的i-t曲线；

(c) Ni₃N-NiMoN-5在1M KOH中作为HER和OER双功能催化剂的线性扫描曲线；

(d) Ni₃N-NiMoN-5 20小时的i-t曲线；

【总结】

研究人员通过集成OER活性的Ni₃N和HER活性的NiMoN构建异质结构实现了高效的电催化水分解。利用密度泛函理论计算初步揭示了该催化剂具有优异的析氢电催化性能的原因，氢在Ni₃N-NiMoN异质结上的吸附自由能明显低于单独的Ni₃N和NiMoN。此外，通过实验观察发现在OER过程中，由于NiMoN的存在能很好的保护高OER活性的Ni₃N，从而使得催化剂表现出优异的OER性能以及良好的稳定性。该Ni₃N-NiMoN异质结的构筑从实验和理论层面阐释了将OER活性组分与HER活性组分集成起来，由于两种活性组分之间的协同影响作用提高了催化性能。该研究工作为设计高性能的、低成本的非贵金属全解水催化剂提供了新的研究思路。该工作被选为Nano Energy 的封面文章。

文献链接：Integrating the active OER and HER components as the heterostructures for the efficient overall water splitting (Nano Energy ,  2017 ,   DOI:10.1016/j.nanoen.2017.11.045)

本文由材料人新能源学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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