重庆科技大学Inorganic Chemistry Frontiers||非晶组分可调的Ni-Fe-P纳米片修饰NiP微球用于高效稳定的碱性淡水/海水制氢

01 导读

氢的高能量密度和无碳排放的特点已成为是传统化石燃料的可行替代品之一。电解水过程包括阴极的析氢反应（HER）和阳极的（OER）反应，是一种没有温室气体排放的且可持续的氢气制备方法。到目前为止，用于HER的Pt基催化剂和用于OER的IrO₂/RuO₂被认为是最有效的电催化剂。然而，它们的高成本和稀缺的储量阻碍了它们的广泛应用。

海水占地球水资源总量的96.5%，在体积占有量上远远超过淡水，这使得海水的直接电解成为一种经济上优于纯水电解的生产高纯度氢气的方法。然而，在阳极产生的活性氯物种(约0.5 M)以及OER和析氯反应(ClER)之间的竞争对海水电解造成了很大的障碍。在碱性条件下，Cl⁻易于与OH⁻反应，在大约490 mV的起始电位下形成ClO⁻。因此，需要高活性的OER催化剂来最大限度地降低OER的过电位，避免在电解过程中形成次氯酸盐。此外，海水中普遍存在的Cl⁻浓度会腐蚀电极，对电催化剂的活性和稳定性产生不利影响。因此，开发和合成在淡水和海水中都能保持高活性和高稳定性的非贵金属电催化剂至关重要，但仍然是一个挑战。

02 成果掠影

重庆科技大学陆世玉、金梦等人采用一步快速电沉积法在镍泡沫上制备了可调组分的非晶Ni-Fe-P纳米片修饰NiP微球（A-NiFeP/NiP）电催化剂。其独特的无定形结构和可调的组分对于增强电子结构和增加催化剂上活性位点的数量至关重要。泡沫镍上NiFeP/NiP的集成和自支撑性质显著增强了传质并使电催化过程中的电阻最小化。此外，无定形NiFeP/NiP的优异耐腐蚀性有助于其在长时间内保持优异的稳定性。在碱性淡水和海水环境中，高铁含量的无定形NiFeP（A-NiFeP/NiP-Fe:25%）分别在241.8和248.6 mV的低OER过电位下达到10 mA cm^⁻2的电流密度，而低铁含量的NiFeP（A-NiFeP/NiP-Fe:10%）在相同的电流密度下表现出更低的69.5和80.4 mV的HER过电位。对于淡水和海水中的整体水分解，由A-NiFeP/NiP-Fe:10%和A-NiFeP/NiP-Fe:25%组成的耦合电解槽在10 mA cm^⁻2下可以分别以1.55和1.62 V的极低电压运行，并表现出超过500小时的优异稳定性。该性能超过了几乎所有以前报道的非贵金属电催化剂，甚至超过了在相同条件下电解的基准Pt/C和RuO₂耦合电极。

03 图文解析

图1 无定形NiFeP/NiP（A-NiFeP/NiP）的合成示意图。

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

图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光谱图

图4 NF、NiP、FeP、A-NiFeP/NiP-Fe:25%和RuO₂电极的（a）OER极化曲线，（b）10和100 mA cm^-2下的过电势比较，以及（c）塔菲尔斜率。NiP、FeP和A-NiFeP/NiP-Fe:25%的（d）奈奎斯特图和（e）ECSA。（f）A-NiFeP/NiP-Fe:25%在50 mA cm^-2时的计时电位曲线。（g）A-NiFeP/NiP-Fe:25%在10 mA cm^-2下对OER的过电势与先前报道的催化剂的比较。

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

图6 NF、NiP、FeP、A-NiFeP/NiP-Fe:10%和Pt/C电极的（a）HER极化曲线，（b）10和100mA cm^-2下的过电势比较，以及（c）塔菲尔斜率。NiP、FeP和A-NiFeP/NiP-Fe:10%的（d）奈奎斯特图和（e）ECSA。（f）A-NiFeP/NiP-Fe:10%在-50 mA cm^-2时的计时电位曲线。（g）A-NiFeP/NiP-Fe:10%在10 mA cm^-2下对HER的过电势与先前报道的催化剂的比较。

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

图8 在碱性海水中，NF、NiP、FeP、A-NiFeP/NiP-Fe:25%和RuO₂电极的（a）OER极化曲线，（b）在10和100 mA cm^-2过电位下的比较。(c)在碱性海水中，A-NiFeP/NiP-Fe:25%在50 mA cm^-2时的OER计时电位测定曲线。在碱性海水中，NF、NiP、FeP、A-NiFeP/NiP-Fe:10%和Pt/C电极的（d）HER极化曲线，（e）在10和100 mA cm^-2过电位下的比较。(c)在碱性海水中，A-NiFeP/NiP-Fe:10%在-50 mA cm^-2时的HER计时电位测定曲线。

图9 碱性淡水和海水中，（a）A-NiFeP/NiP-Fe:10%//A-NiFeP/NiP-Fe:25%电解槽和（b）Pt/C//RuO₂电解槽的LSV极化曲线。(c)在碱性淡水中，A-NiFeP/NiP-Fe:10%//A-NiFeP/NiP-Fe:25%在10 mA cm^-2下与先前报道的电解槽槽电压的比较。（d）火力发电和（e）风力发电驱动A-NiFeP/NiP-Fe:10%//A-NiFeP/NiP-Fe:25%电解槽的演示照片。（f）在碱性淡水和（g）碱性海水中，A-NiFeP/NiP-Fe:10%//A-NiFeP/NiP-Fe:25%电解槽的计时电位图。

文献信息

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作者简介

陆世玉，特聘教授，研究生导师，西南大学博士，北京大学博士后，入选第七届中国科协青年人才托举工程（科协资助，国家青年人才）。研究方向致力于电催化及高效储能关键电极材料的开发和设计，聚焦新能源高效转化和储存材料及机制研究，实现氢能源的高效稳定生产与利用器件及高能量密度离子电池的构建。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）等国际顶尖SCI期刊发表论文60余篇，论文被引用2700余次，H10-index为45，申请国家专利30余项，主持国家级/省部级科研项目4项，完成产业化合作项目2项，担任《Carbon Energy》、《物理化学学报》等期刊青年编委，获第一届“创青春”中国青年碳中和创新创业大赛全国铜奖（排名第一），西南赛区金奖（排名第一）。

金梦，助理研究员，硕士生导师，重庆大学博士，清华大学博士后。主要研究方向为MOF材料及其衍生物的可控制备与电催化性能研究；过渡金属催化剂的设计与构建及其电催化生物质转化、有机电合成的研究，在过渡金属纳米电催化剂的可控制备、表界面结构的精准调控及增强电催化性能方面具有丰富的经验。主持/主研科研项目5项，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)等国际顶尖SCI期刊发表论文20余篇，申请国家专利20余项，授权6项。