原创 罗旭等 科学材料站 2022-01-19 15:09
文 章 信 息
Ni3S2/Fe-NiPx球形魔方助力工业级高效海水析氧反应
第一作者：罗旭
通讯作者：木士春*
单位：武汉理工大学
研 究 背 景
鉴于海水的丰富性以及将海水电解与可持续发电技术相结合的巨大优势，大力发展海水电解制氢具有重大意义。OER作为限制电解水效率的最主要半反应无疑也是海水电解发展的主要瓶颈。相对于纯水电解，海水电解对OER催化剂有着更高的要求。因此，合理设计高活性的阳极OER 电催化剂、有效实现海水电解中的高选择性析氧并避免碱性条件下次氯酸盐的形成及其他杂质沉淀物的腐蚀成为了海水电解发展的主要挑战。
文 章 简 介
基于此，来自武汉理工大学的木士春教授团队在国际知名期刊Advanced Science 上发表题为“Spherical Ni3S2/Fe-NiPx Magic Cube with Ultrahigh Water/Seawater Oxidation Efficiency”的研究文章。该文章提出了一种新型自牺牲模板策略，成功构建了一种独特的Ni3S2/Fe-NiPx/NF球形结构魔方，该结构在海水氧化中具有出色的电化学活性和稳定性。
本 文 要 点
要点一：构筑Ni3S2/Fe-NiPx/NF球形魔方
采用新颖的自牺牲模板策略，通过界面氧化还原反应实现NiFe基普鲁士蓝类似物（NiFe PBA）在Ni3S2上的原位生长。由于Ni3S2纳米片的形态优势，Ni3S2@NiFe PBA复合材料呈现了由纳米立方体组成的独特的球形魔方结构，即使经磷化处理后衍生为Ni3S2/Fe-NiPx异质结构，其球形魔方结构仍得以保持。
图1. Ni3S2/Fe-NiPx球形结构魔方预催化剂的合成与表征
要点二：Ni3S2/Fe-NiPx球形魔方出色的OER催化活性和稳定性
结构独特的Ni3S2/Fe-NiPx在碱性介质中具有超高的OER活性和稳定性，其在碱性条件下驱动500和1000 mA cm-2的高电流密度仅需270 和291mV的超低过电位，甚至在碱性海水中达到500和1000 mA cm-2的电流密度也仅需336和351 mV过电位，且同时保持了长达225小时的稳定性。
图2. Ni3S2/Fe-NiPx/NF预催化剂在碱性介质中的OER性能
图3. Ni3S2/Fe-NiPx/NF预催化剂在碱性海水中的OER性能
要点三：Ni3S2/Fe-NiPx球形魔方在碱性和碱性海水中的OER重构
一系列表征结果证实，OER电催化过程中表面P和部分S元素的浸出触发了Ni(OH)2/Ni(Fe)OOH活性物质在OER电催化过程的原位形成。其中，碱性海水中的重构现象与1M KOH相一致。
图4. Ni3S2/Fe-NiPx/NF在1M KOH电解液中进行 OER 测试后的 (a, b) FESEM 图像；(c, d)不同放大倍率下的HRTEM 图像。(e) Ni3S2/Fe-NiPx/NF在碱性天然海水中进行 OER 测试后的 STEM 图像和相应的元素分布图。OER 测试前后 Ni3S2/Fe-NiPx/NF的 (f) Ni 2p、(g) Fe 2p 和 (h) O1s 的高分辨率 XPS图谱。
要点四：密度泛函理论（DFT）计算分析OER活性的起源
DFT计算结果证实，Fe-Ni2P和Fe-Ni12P5与相应重构物种（FeOOH或NiOOH）的耦合有效调节了OER活性中间产物的吸附自由能，从而降低反应能垒。其中，Fe-Ni2P/FeOOH重构体系作为OER活性中心贡献了大部分的OER活性。
图5. 不同重构体系的OER动力学研究
文 章 链 接
Spherical Ni3S2/Fe-NiPx Magic Cube with Ultrahigh Water/Seawater Oxidation Efficiency.
https://doi.org/10.1002/advs.202104846
通 讯 作 者 简 介
木士春教授
武汉理工大学学科首席教授，博士生导师。主要从事质子交换膜燃料电池关键材料与核心器件、电化学产氢、锂离子电池材料和碳纳米材料等研究工作。目前，作为第一作者及通讯作者已在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano.、ACS Catal.、ACS Energy Lett.、Nano Energy等国内外期刊上发表250余篇SCI学术论文，申请国家发明专利近102件，其中授权84件。