原创 eScience 编辑部 eScience 2023-05-11 20:03 发表于浙江
01 研究背景
电解水制氢作为一种生产绿氢的方法，具有高效环保等诸多优势。然而，阴极和阳极反应涉及到多电子转移导致其反应动力学缓慢，极大限制了其全面推广。因此，开发高效且低廉的双功能电催化剂是目前的研究重点。近年来，非晶结构因相较于晶体结构具有不饱和活性位点多、能同时实现表面和体积限域催化以及耐腐蚀性强等优势受到人们的广泛关注。将非晶结构与晶体结构相结合理论上可以进一步提升材料的催化活性。
02 研究工作简介
在该工作中，作者成功合成了一种双功能Ru-Ni(Fe)P2/NF催化剂，该催化剂具有特殊的非晶-晶体（A-C）结构，而Ru纳米晶体均匀分布在Ni(Fe)P2纳米片上。作者通过一系列表征方法探究了这种A-C结构产生的原因，结果表明Fe对Ni的部分取代是生成A-C结构的关键因素。随后，结合DFT计算和电化学测试证实了具有A-C结构的Ru-Ni(Fe)P2/NF相较于晶体Ru-NiP2/NF具有更为出色的本征催化活性。基于以上结论，作者以Ru-Ni(Fe)P2/NF为阴极和阳极组装了电解槽，用于测试材料的全解水催化性能。为驱动1 A·cm-2高电流密度下的全解水反应，Ru-Ni(Fe)P2/NF || Ru-Ni(Fe)P2/NF在1 M KOH和海水介质中分别仅需2.163 V和2.567 V的槽电压，显著优于商用电极对Pt/C/NF || RuO2/NF （1 M KOH: 2.783 V@ 1A·cm-2；3.111 V@1 A·cm-2）。此外，Ru-Ni(Fe)P2/NF也拥有优异的电催化稳定性，在分别为1000和600 mA·cm-2的高电流密度下，Ru-Ni(Fe)P2/NF可以在碱性和海水介质中稳定运行50小时，并具有接近100%的法拉第效率。
Figure 1. (a) Construction route of Ru-Ni(Fe)P2/NF. (b) SEM graphs of NiFe/NF precursor. (c-g) TEM images of Ru-Ni(Fe)P2/NF. (h) HAADF-STEM images. (i-l) EDS elemental mapping for Ni, P, Ru and Fe of Ru-Ni(Fe)P2/NF.
Figure 2. XRD diagrams of (a) NiP2/NF and (b) Ni(Fe)P2/NF. TEM images of (a-b) NiP2/NF and (c-d) Ni(Fe)P2/NF.
Figure 3. (a) LSV curves of Ru-Ni(Fe)P2/NF with other samples in 1 M KOH of OER reaction. (b) Corresponding overpotentials (@100 and 1000 mA·cm-2) of OER. (c) OER Tafel plots of Ru-Ni(Fe)P2/NF with other samples. (d) EIS plots of Ru-Ni(Fe)P2/NF and other samples of OER reaction. (e) 50 h i-t test chart of Ru-Ni(Fe)P2/NF in OER reaction (@1000 mA cm-2).
Figure 4. (a) LSV curves of Ru-Ni(Fe)P2/NF with other samples in 1 M KOH of HER reaction. (b) Corresponding overpotentials (@10 and 1000 mA·cm-2) of HER. (c) HER Tafel plots of Ru-Ni(Fe)P2/NF with other samples. (d) EIS plots of Ru-Ni(Fe)P2/NF and other samples of HER reaction. (e) 50 h i-t test chart of Ru-Ni(Fe)P2/NF in HER reaction at a current density of 1.2 A cm-2.
Figure 5. Charge density difference in (a) Ru-Ni(Fe)P2/NF and (b) Ru-NiP2/NF models; (c) Calculated free energy diagrams of Ru-Ni(Fe)P2/NF and Ru-NiP2/NF models for HER; (d) Calculated free energy diagrams of Ru-Ni(Fe)OOH/NF and Ru-NiOOH/NF models for OER.
Figure 6. Polarization curves of Ru-Ni(Fe)P2/NF in (a) 1 M KOH and (d) seawater media for HER and OER. LSV curves of Ru-Ni(Fe)P2/NF || Ru-Ni(Fe)P2/NF and Pt/C/NF || RuO2/NF toward water splitting in (b) 1 M KOH and (e) seawater media. 50-h constant current stability test plot of Ru-Ni(Fe)P2/NF in (c) 1 M KOH and (f) seawater media.
03工作的亮点、新颖性和意义
该工作通过Fe的调控成功合成了具有独特A-C结构的双功能电解水催化剂，并通过一系列表征证实了Fe在构建A-C结构中的重要作用。随后，利用DFT理论计算和电化学测试方法对材料的HER&OER本征催化活性进行了评价，并通过原位拉曼等表征手段对材科的OER重构过程进行了表征，成功证实了Ru-Ni(Fe)P2/NF的高催化活性。最后，考虑到淡水资源的紧缺，作者测试了Ru-Ni(Fe)P2/NF在海水介质中驱动高电流密度（1 A·cm-2）全水解反应的性能与稳定性。该工作为电化学海水制氢的大规模工业应用提供了一种有前途的催化剂。
04 论文信息
Dulan Wu?, Bo Liu?, Ruidong Li?, Ding Chen, Weihao Zeng, Hongyu Zhao, Youtao Yao, Rui Qin, Jun Yu*, Lei Chen, Jianan Zhang*, Bei Li, Shichun Mu*
Fe-Regulated Amorphous-Crystal Ni(Fe)P2 Nanosheets Coupled with Ru Powerfully Drive Seawater Splitting at Large Current Density, Small 2023
DOI: 10.1002/smll.202300030
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202300030
05研究团队简介
木士春教授：武汉理工大学学科首席教授，博士生导师，国家级高层次人才。长期致力于电解水制氢和质子交换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300余篇高质量学术论文。
武汉理工大学木士春团队官网：
http://www.polymer.cn/ss/shichunmu/detailsshow_4817.html