Nano Energy : 磁场诱导快速合成富缺陷Ni-Co纳米线作为高效析氢电催化剂

【引言】

制备具有精细微/纳米结构的催化剂成为提高电催化活性的有效途径。通过创造丰富的电化学活性位点，可以使催化剂的性能优于具有致密结构(例如金属箔，泡沫和网状物)同类催化剂的性能。特别的，基于一维(1D)纳米催化剂的电极表现出巨大的潜力，因为这些一维模块能够促进足够的离子/气体扩散和快速电荷转移，在电解过程中特别有利于Volmer步骤。目前，一维金属镍基纳米催化剂主要通过模板定向沉积方法制备，其通常涉及牺牲模板的制备和去除，且产量较低。

【成果简介】

近日，新加坡南洋理工大学范红金副教授、清华深研院杨诚副研究员(共同通讯作者)等以一种快速的一步法制备了高导电性Ni-Co纳米线自支撑膜，其通过还原Ni/Co纳米粒子在旋转磁场下自组装而形成，并在Nano Energy上发表了题为“Magnetic-Field-Induced Rapid Synthesis of Defect-Enriched Ni-Co Nanowire Membrane as Highly Efficient Hydrogen Evolution Electrocatalyst”的研究论文。Ni-Co纳米线由Co纳米颗粒和NiCo合金纳米颗粒区域组成，由于合金化不完全以及组装过程中奥斯特瓦尔德熟化不充分而具有丰富的固有界面缺陷。作者将具有不同Ni/Co比的纳米线作为HER电极进行测试，并与纯镍网和泡沫镍电极进行比较，其中Ni_0.50Co_0.50纳米线电极具有最佳的性能，优于最佳的金属镍基电极。上述纳米线电极HER活性在近100小时内几乎没有降低。这种简单的技术为面向工业应用的高活性、耐用金属镍基电催化剂可扩展生产的关键步骤提供了参考。

【图文简介】

图1 Ni-Co纳米线自支撑膜的制备过程

Ni-Co纳米线自支撑膜的磁场辅助溶液法制备过程示意图。

图2 Ni-Co纳米线自支撑膜的结构

a) 不同Ni/Co比的Ni-Co纳米线自支撑膜的XRD图谱；

b) NiCo 合金(FCC)和Co金属(HCP)的晶体结构示意图。

图3 Ni-Co纳米线自支撑膜的形貌

a) Ni_0.5Co_0.5纳米线自支撑膜的数码照片；

b,c) Ni_0.5Co_0.5纳米线自支撑膜的SEM图像，c图内插为Ni_0.5Co_0.5纳米线自支撑膜中纳米线的直径分布；

d) Ni_0.5Co_0.5纳米线自支撑膜的TEM图像；

e) Ni_0.5Co_0.5纳米线自支撑膜的HRTEM图像；

f) Ni_0.5Co_0.5纳米线自支撑膜的SAED图像；

g) Ni_0.5Co_0.5纳米线自支撑膜的元素分布图像。

图4 Ni-Co纳米线自支撑膜的表面元素分析

a) Ni_0.5Co_0.5纳米线自支撑膜(表面)的XPS全谱；

b) Ni_0.5Co_0.5纳米线自支撑膜随深度变化的Ni 2p XPS光谱；

c) Ni_0.5Co_0.5纳米线自支撑膜随深度变化的Co 2p XPS光谱；

d) Ni_0.5Co_0.5纳米线自支撑膜随刻蚀时间变化的Ni、Co和O原子比，内插：Ni_0.5Co_0.5纳米线自支撑膜由表面向内部的刻蚀过程。

图5 Ni-Co纳米线自支撑膜的电催化HER性能

a) 不同催化剂的极化曲线；

b) 不同催化剂的Tafel斜率；

c) 不同催化剂电流密度随扫速的变化；

d) 不同催化剂的催化活性比较。

图6 Ni-Co纳米线自支撑膜的电化学稳定性测试

a) 不同过电势下，电极的计时曲线；

b) 电极循环96 h前后的极化曲线，内插为电极上氢气产生强度的照片；

c) 循环前后的XRD图谱。

【小结】

作者采用磁场辅助法制备了Ni/Co比例可调的自支撑Ni_xCo_1-x纳米线膜，并证实其在碱性电解质中可作为HER电催化剂。得益于大表面积(奥斯特瓦尔德熟化不充分)，快速电荷/质量传输能力(金属相)以及可能的晶格缺陷增强效应，所得的Ni/Co纳米线电极显示出比商业化的镍网、泡沫镍或纯镍纳米线网更低的过电势和更高的电流密度。纳米线电极呈现稳定的催化性能(接近100 h)，而表面组成、纳米结构未发生变化。上述无粘合剂、自支撑纳米线膜在取代目前使用的工业碱性电解水用金属镍基阴极方面具有很大的前景。该技术还可用于合成各种铁磁金属基纳米线电极，有望在分解水、超级电容器和金属电池得到广泛应用。

文献链接： Magnetic-Field-Induced Rapid Synthesis of Defect-Enriched Ni-Co Nanowire Membrane as Highly Efficient Hydrogen Evolution Electrocatalyst (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.06.080)

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