原創 eScience 編輯部 eScience 2023-05-11 20:03 發表于浙江
01 研究背景
電解水制氫作為一種生產綠氫的方法，具有高效環保等諸多優勢。然而，陰極和陽極反應涉及到多電子轉移導致其反應動力學緩慢，極大限制了其全面推廣。因此，開發高效且低廉的雙功能電催化劑是目前的研究重點。近年來，非晶結構因相較于晶體結構具有不飽和活性位點多、能同時實現表面和體積限域催化以及耐腐蝕性強等優勢受到人們的廣泛關注。將非晶結構與晶體結構相結合理論上可以進一步提升材料的催化活性。
02 研究工作簡介
在該工作中，作者成功合成了一種雙功能Ru-Ni(Fe)P2/NF催化劑，該催化劑具有特殊的非晶-晶體（A-C）結構，而Ru納米晶體均勻分布在Ni(Fe)P2納米片上。作者通過一系列表征方法探究了這種A-C結構產生的原因，結果表明Fe對Ni的部分取代是生成A-C結構的關鍵因素。隨后，結合DFT計算和電化學測試證實了具有A-C結構的Ru-Ni(Fe)P2/NF相較于晶體Ru-NiP2/NF具有更為出色的本征催化活性。基于以上結論，作者以Ru-Ni(Fe)P2/NF為陰極和陽極組裝了電解槽，用于測試材料的全解水催化性能。為驅動1 A·cm-2高電流密度下的全解水反應，Ru-Ni(Fe)P2/NF || Ru-Ni(Fe)P2/NF在1 M KOH和海水介質中分別僅需2.163 V和2.567 V的槽電壓，顯著優于商用電極對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也擁有優異的電催化穩定性，在分別為1000和600 mA·cm-2的高電流密度下，Ru-Ni(Fe)P2/NF可以在堿性和海水介質中穩定運行50小時，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工作的亮點、新穎性和意義
該工作通過Fe的調控成功合成了具有獨特A-C結構的雙功能電解水催化劑，并通過一系列表征證實了Fe在構建A-C結構中的重要作用。隨后，利用DFT理論計算和電化學測試方法對材料的HER&OER本征催化活性進行了評價，并通過原位拉曼等表征手段對材科的OER重構過程進行了表征，成功證實了Ru-Ni(Fe)P2/NF的高催化活性。最后，考慮到淡水資源的緊缺，作者測試了Ru-Ni(Fe)P2/NF在海水介質中驅動高電流密度（1 A·cm-2）全水解反應的性能與穩定性。該工作為電化學海水制氫的大規模工業應用提供了一種有前途的催化劑。
04 論文信息
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研究團隊簡介
木士春教授：武漢理工大學學科首席教授，博士生導師，國家級高層次人才。長期致力于電解水制氫和質子交換膜燃料電池催化劑研究。以第一作者或通訊作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等國內外期刊上發表300余篇高質量學術論文。
武漢理工大學木士春團隊官網：
http://www.dpstg.com/ss/shichunmu/detailsshow_4817.html