Fe-Regulated Amorphous-Crystal Ni(Fe)P2 Nanosheets Coupled with Ru Powerfully Drive Seawater Splitting at Large Current Density
原創(chuàng) eScience 編輯部 eScience 2023-05-11 20:03 發(fā)表于浙江
01 研究背景
電解水制氫作為一種生產(chǎn)綠氫的方法，具有高效環(huán)保等諸多優(yōu)勢。然而，陰極和陽極反應(yīng)涉及到多電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致其反應(yīng)動力學(xué)緩慢，極大限制了其全面推廣。因此，開發(fā)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(jié)構(gòu)因相較于晶體結(jié)構(gòu)具有不飽和活性位點多、能同時實現(xiàn)表面和體積限域催化以及耐腐蝕性強等優(yōu)勢受到人們的廣泛關(guān)注。將非晶結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)相結(jié)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的原因，結(jié)果表明Fe對Ni的部分取代是生成A-C結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。隨后，結(jié)合DFT計算和電化學(xué)測試證實了具有A-C結(jié)構(gòu)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(jié)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(qū)動1 A·cm-2高電流密度下的全解水反應(yīng)，Ru-Ni(Fe)P2/NF || Ru-Ni(Fe)P2/NF在1 M KOH和海水介質(zhì)中分別僅需2.163 V和2.567 V的槽電壓，顯著優(yōu)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(yōu)異的電催化穩(wěn)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(zhì)中穩(wěn)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(diào)控成功合成了具有獨特A-C結(jié)構(gòu)的雙功能電解水催化劑，并通過一系列表征證實了Fe在構(gòu)建A-C結(jié)構(gòu)中的重要作用。隨后，利用DFT理論計算和電化學(xué)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(gòu)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(zhì)中驅(qū)動高電流密度（1 A·cm-2）全水解反應(yīng)的性能與穩(wěn)定性。該工作為電化學(xué)海水制氫的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)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(xué)學(xué)科首席教授，博士生導(dǎo)師，國家級高層次人才。長期致力于電解水制氫和質(zhì)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(nèi)外期刊上發(fā)表300余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文。
武漢理工大學(xué)木士春團隊官網(wǎng)：
http://www.dpstg.com/ss/shichunmu/detailsshow_4817.html