上海理工大学王现英教授团队JMCA：用于全分解水的高效廉价双功能电催化剂3D多孔核壳结构Ni@NiFe LDH

引言

氢能作为一种同时满足资源、环境、可持续发展要求的新能源，具有成为二十一世纪终极能源的巨大潜力。电化学水分解制氢便是一种有望能兼顾大规模生产、环境友好和经济效益的途径。而目前制备高效稳定成本低廉且同时具备催化阴极产氢（HER）和阳极产氧（OER）的双功能电催化剂仍面临着巨大的挑战。因此，开发强大的双功能电催化剂非常有意义，且为了实现电催化水分解的商业化，更希望催化剂能在高电流密度下正常工作。

成果简介

近日，上海理工大学王现英教授、王平副教授（共同通讯）、研究生蔡正阳（第一作者）与香港城市大学Johnny C. Ho教授（共同通讯）、卜修明博士（共同一作）合作，在国际著名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表了题为“Simple and cost effective fabrication of 3D porous core–shell Ni nanochains@NiFe layered double hydroxide nanosheet bifunctional electrocatalysts for overall water splitting”的最新研究成果。该文章报道了一种通过磁场辅助化学还原和电化学沉积的方法，制备了一种具有三维多孔核壳结构的高性能电催化剂（Ni@NiFe LDH），实现了在电解水时HER和OER催化性能的同时提高。Ni@NiFe LDH的OER性能和稳定性远远优于商用RuO₂和IrO₂，而其HER性能与公认性能最好的20 wt. % Pt/C 相比也相当有竞争力。当其被同时用作阴极和阳极时，达到电流密度为10和100 mA·cm^-2所需的电压仅为1.53和1.78V。

这些优异的电催化性能主要归因于Ni @ NiFe LDH所具有的独特的三维多孔核壳结构。这种独特的结构不仅具有巨大的表面积以产生丰富的活性位点和有利于电解质吸附和气体分子的释放的传质通道，而且在泡沫镍上原位生长的镍纳米链和NiFe LDH纳米片都保证了其良好的电子转移能力和结构稳定性。

图文导读

图1自支撑3D多孔核壳Ni @ NiFe LDH制备流程示意图。

图2 形貌分析

（a）低倍和（b）高倍的Ni 纳米链生长在泡沫镍上的 SEM图像，（c）Ni @ NiFe LDH的SEM图像，（d和e）Ni @ NiFe LDH的TEM图像，（f）Ni @ NiFe LDH的HRTEM图像，插图为NiFe LDH中（012）晶面的对应晶格，（g和h）Ni @ NiFe LDH的EDS线扫描和Ni、Fe元素的Mapping。

图3 在1M KOH溶液中测试的OER活性。

（a）线性扫描伏安法（LSV）曲线，插图为电流密度为10 mA·cm^-2（η₁₀）时所需的过电位，（b）塔菲尔斜率图，（c）Ni @ NiFe LDH在电流密度为10 mA·cm^-2下的24h稳定性，（d）双电层电容（C_dl）值。（e）在250 mV的过电位下的Nyquist图，插图显示了放大的EIS曲线。 （f）与最近报道的高性能OER电催化剂的η₁₀₀，η₃₀₀和相应的Tafel斜率的对比。

图4 在1M KOH溶液中测试的HER活性。

（a）线性扫描伏安法（LSV）曲线，插图为电流密度为10 mA·cm^-2时所需的过电位，（b）塔菲尔斜率图，（c）Ni @ NiFe LDH在电流密度为10 mA·cm^-2下24h稳定性，（d）与最近报道的高性能HER电催化剂的η₁₀和相应的Tafel斜率的对比。

图5 在1M KOH溶液中测试的全分解水（OWS）活性。

（a）线性扫描伏安法（LSV）曲线，（b）Ni @ NiFe LDH作为双电极体系在电流密度为10 mA·cm^-2下的24h稳定性，（c）与最近报道的高性能OWS电催化剂的η₁₀的对比，（d）用于商业和技术研究的电解槽组示意图。

小结

综上所述，该工作成功合成了一种三维多孔核壳结构电催化剂，由原位生长的Ni 纳米链为核，电沉积NiFe LDH 纳米片为壳。所制备的电极具有大的表面积，充分暴露的边缘活性位点，有效的电荷和电子转移以及优异的结构稳定性。此电催化剂的OER活性，特别是在高电流密度下的过电位，远远优于商业RuO₂和IrO₂。在HER活性上接近作为基准的20 wt.% Pt/C电极。此外，在用于OWS时能在1.53V的电压下获得10 mA·cm^-2的电流密度，且具有优异的稳定性。尽管此种用于HER，OER和OWS的3D多孔核壳Ni @ NiFe LDH催化剂具有高电催化性能，但仍有进一步改进的余地。如研究如何在原子尺度上减少NiFe LDH的片层厚度，如何将其应用于大规模生产，达到亚米级以及均匀表面形态的可行性以及合理优化设计高性能电解槽等。

文献链接：

Simple and cost effective fabrication of 3D porous core–shell Ni nanochains@NiFe layered double hydroxide nanosheet bifunctional electrocatalysts for overall water splitting (J. Mater. Chem. A, 2019, DOI: 10.1039/C9TA07282A)

本文由上海理工大学王现英教授团队供稿。

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