原创 史文杰等 科学材料站 2022-11-15 09:29 发表于安徽

文 章 信 息

掺铁Ni/MoO₂空心异质纳米棒阵列促进高效碱性水/海水电解

第一作者：史文杰

通讯作者：木士春*，唐浩林*

单位：武汉理工大学

研 究 背 景

电解水过程中水分子通过氧析出反应（OER）和氢析出反应（HER）分解为氧气和氢气。然而，目前电解水技术受限于OER和HER缓慢的动力学过程，因此迫切需要开发出高活性的双功能电催化剂以促进水分解动力学。

镍钼基催化剂中，Ni原子具有优异的水解离活性，而Mo原子具有优越的氢吸附能；同时，镍和钼化物的强耦合作用可引起电子转移并改变催化剂的电子结构，使其具有类铂族金属的碱性HER活性。然而，镍钼基催化剂的析氧反应（OER）活性较低，导致目前缺乏高效OER和HER双功能镍钼基催化剂的报道。因此，唤醒镍钼基催化剂的OER活性对促进其在水电解领域的应用具有非常重要的意义。

文 章 简 介

基于此，武汉理工大学木士春教授团队与唐浩林教授合作在Small上发表题为“Fe-Incorporated Ni/MoO₂ Hollow Heterostructure Nanorod Arrays for High-Efficiency Overall Water Splitting in Alkaline and Seawater Media”的论文。

该论文通过一种新颖的自牺牲的模板策略，成功构筑了一种独特的NiFe/Fe-MoO₂空心异质纳米棒。该催化剂在碱性纯水及海水中呈现出优越的OER及类铂的HER活性。

图1. NiFe/Fe-MoO₂催化剂结构及应用场景

本 文 要 点

要点一：构筑NiFe/Fe-MoO₂空心异质纳米棒

采用新颖的自牺牲的模板策略，通过在NiMoO₄上原位生长普鲁士蓝类似物（PBA）立方块；然后，在离子交换过程中，镍离子与铁氰根离子配位的同时伴随着部分钼酸根离子的溶解，形成了独特的NiMoO₄@PBA空心纳米棒结构；经过高温煅烧后得到NiFe/Fe-MoO₂异质结构，其空心纳米棒结构仍得到保持。

图2. NiFe/Fe-MoO₂催化剂的合成与表征

要点二：NiFe/Fe-MoO₂具有优异的OER及类铂的HER活性

结构独特的NiFe/Fe-MoO₂在碱性介质中（1 M KOH）具有优异的催化活性和稳定性：OER过电位仅为213 mV@20 mA/cm²，优于目前已报道的大多数镍钼基催化剂（图3）；该催化剂还具有类铂的HER活性，驱动10 mA/cm²的电流密度仅需33 mV的低过电位（图4）。此外，该催化剂经过70 h的恒电流稳定性测试后，OER/HER活性没有出现明显衰减，表明具有出色的电化学稳定性。

图3. NiFe/Fe-MoO₂催化剂在1 M KOH中析氧反应（OER）性能

图4. NiFe/Fe-MoO₂催化剂在1 M KOH中析氢反应（HER）性能

要点三：NiFe/Fe-MoO₂可高效驱动碱性纯水/海水电解

得益于独特的空心异质纳米棒结构，NiFe/Fe-MoO₂分别在碱性纯水和碱性海水电解液中的全水解反应只需要1.48和1.51 V的槽电压就可以驱动10 mA/cm²的电流密度，显著超过了商业Pt/C||RuO₂贵金属电极对的活性，且展现出了优异的电化学稳定性和近100%的法拉第效率。

图5. NiFe/Fe-MoO₂催化剂在碱性介质及碱性海水中的全解水性能

要点四：前瞻

本文通过自牺牲的模板策略，引入铁原子有效激发了镍钼基催化剂的OER活性，获得了具有优异OER及类铂HER活性的镍钼基双功能催化剂。该项工作对高性能非贵金属OER/HER双功能催化剂的设计与构筑具有重要的启示意义，并将有力促进镍钼基催化剂电解水的多场景应用。

文 章 链 接

Fe-Incorporated Ni/MoO₂ Hollow Heterostructure Nanorod Arrays for High-Efficiency Overall Water Splitting in Alkaline and Seawater Media 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202205683

通 讯 作 者 简 介

木士春：武汉理工大学首席教授，博士生导师，国家级高层次人才。长期致力于电解水制氢催化剂、质子交换膜膜燃料电池催化剂研究。以第一作者或通讯作者在 Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等国内外期刊上发表270余篇高质量学术论文。

唐浩林：武汉理工大学首席教授，博士生导师，国家级高层次人才。长期从事燃料电池和锂电池关键材料研究。以第一作者或通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Adv. Sci.等国内外期刊上发表100余篇高质量学术论文。