ASNChina AdvancedScienceNews 2022-01-26 08:30

摘要：武汉理工大学木士春教授课题组通过铁氰化钾直接刻蚀Ni₃S₂纳米片获得了具有特殊球形魔方结构的Ni₃S₂@NiFe普鲁士蓝类似物（PBA）复合材料。经低温磷化处理，该球形魔方结构得以保持，并衍生为 Ni₃S₂/Fe-NiPx异质结构。其作为预催化剂在碱性和碱性海水中均表现出了优异的OER催化活性和稳定性。

关键词：Advanced Science, 海水电解，析氧反应（OER）, 异质结构, 武汉理工大学,

水电解作为一种可持续的绿色产氢技术，是满足未来社会能源需求的关键。而其中阳极端缓慢的析氧反应（OER）动力学严重限制了电解水效率。此外，为解决电解水技术在淡水资源匮乏地区应用的瓶颈问题，海水电解成为重要选择。海水自然资源丰富，占全球水资源总量的96.5％，且海域风能，潮汐能等可再生能源丰沛。因此，将海水电解制氢技术与可再生能源发电技术相结合对氢能的发展及海洋资源的开发利用具有重大意义。然而，海水电解过程中阳极端的析氯反应（ClER）亦或是碱性条件次氯酸盐的形成都会严重影响电极材料的OER催化效率。因此，开发高活性和高稳定性的非贵金属OER电催化剂对于海水电解至关重要。

对于电催化剂，其应具有大的比表面积及均匀和足够多的活性位点。因此，催化剂前驱体的选择及合成条件显得尤为重要。此外，合理构筑异质结构也被认为是调节材料电子结构和提高催化剂本征催化活性的有效策略。而且，硫（S）、磷(P)等阴离子亦会对电极催化材料产生协同催化作用。由此可见，如果在催化剂设计过程中综合考虑这些积极的因素无疑将会有力改善催化材料的催化性能。

为此，武汉理工大学木士春课题组以Ni₃S₂为部分自牺牲模板，通过与铁氰化钾简单的水热反应构建了Ni₃S₂@NiFe普鲁士蓝类似物（PBA）复合材料。其中，PBA作为代表性的配位聚合物材料，具有可调节的金属活性位点和开放框架结构。得益于Ni₃S₂纳米片的高度可调控性，得到的Ni₃S₂@NiFe PBA呈现了独特的球形魔方结构。而且经后续磷化处理，衍生的Ni₃S₂/Fe-NiPx/NF异质结构材料仍然保持了球状魔方结构，不仅具有多维反应接触面，还揭露更多的表面活性位点；同时，Fe位点的同步引入也极大促进了电极材料的本征催化活性。实验结果表明，Ni₃S₂/Fe-NiPx/NF球形魔方作为预催化剂在1 M KOH和碱性海水中均展现了优越的OER催化活性：分别仅需291 和351 mV的过电位即可输出1000 mA cm^-2的超大电流密度，且具有200多小时的超高稳定性。进一步研究揭示了Ni₃S₂/Fe-NiPx/NF球形魔方在1 M KOH和碱性海水中发生了表面重构，促进了Ni(OH)₂/Ni(Fe)OOH氧化层的生成。密度泛函理论（DFT）计算进一步分析了重构体系在OER过程中对中间产物的吉布斯吸附自由能影响，证明了Fe-Ni₂P/FeOOH为OER活性中心。    

此项工作为开发高效、低成本的水和海水电解OER电催化剂提供了新思路，相关论文在线发表在Advanced Science上。

论文信息：

Spherical Ni₃S₂/Fe-NiPx Magic Cube with Ultrahigh Water/Seawater Oxidation Efficiency.

Xu Luo, Pengxia Ji, Pengyan Wang, Xin Tan, Lei Chen, and Shichun Mu*

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.202104846