第一作者：趙展

通訊作者：孟祥超

論文DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123277

圖文摘要

成果簡(jiǎn)介

近日，中國(guó)海洋大學(xué)孟祥超教授課題組在Applied Catalysis B: Environmental上發(fā)表了題為“Joule heating synthesis of NiFe alloy/MoO₂ and in-situ transformed (Ni,Fe)OOH/MoO₂ heterostructure as effective complementary electrocatalysts for overall splitting in alkaline seawater”的研究論文(DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123277)，該研究通過一種快速的焦耳加熱方法，設(shè)計(jì)了一種新型鎳鐵合金與氧化鉬復(fù)合物的電催化劑。這種催化劑呈現(xiàn)納米棒結(jié)構(gòu)，具有大比表面積以及豐富的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，與其原位轉(zhuǎn)化的(Ni,Fe)OOH/MoO₂表現(xiàn)出優(yōu)異的裂解海水性能。

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在這項(xiàng)研究中，作者采用一種新穎的快速焦耳加熱技術(shù)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種 NiFe-MoO₂ 異質(zhì)結(jié)，用作高效的雙功能電催化劑。制備的催化劑具備大比表面積以及豐富界面的優(yōu)點(diǎn)，在堿性海水中表現(xiàn)出優(yōu)異的HER/OER電催化活性。同時(shí)，在快速的加熱/冷卻過程中，F(xiàn)e_0.5Ni_0.5 合金呈現(xiàn)出面心立方相，可進(jìn)一步優(yōu)化 Fe-Ni 鍵，提高電導(dǎo)率。同時(shí)催化劑了獲得豐富的氧缺陷，使其電化學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)CVD合成的催化劑。此外，DFT計(jì)算揭示了合金-金屬氧化物界面的協(xié)同作用，研究了活性位點(diǎn)的機(jī)理。同時(shí)制備的催化劑在雙電極體系和MEA電化學(xué)反應(yīng)器中顯示出優(yōu)異的活性，表明了實(shí)際應(yīng)用的可行性。最后，將開發(fā)的電極與自制聚合物太陽能電池（PSC）組成光伏輔助水電解系統(tǒng)，STH效率達(dá)到了12.47%。

引言

海水作為電催化析氫的替代水源越來越受到人們的關(guān)注。但海水的復(fù)雜性導(dǎo)致電催化劑在海水裂解時(shí)活性低且不穩(wěn)定，異質(zhì)結(jié)在電催化裂解水方面表現(xiàn)出良好的前景。然而，制備電催化劑的傳統(tǒng)方法，如傳統(tǒng)的溫度編程化學(xué)氣相沉積（CVD），受到表面氧化、活性位點(diǎn)聚集、能耗過高和時(shí)間消耗過長(zhǎng)等因素的影響，導(dǎo)致材料性能下降，影響工業(yè)化應(yīng)用。因此，尋找合成具有豐富界面的電催化劑材料的有效方法至關(guān)重要。

圖文導(dǎo)讀

合成方法及材料表征

Fig. 1. (a) Schematic illustration of the synthesis process for self-supported FeMoNi/NF, (b) XRD patterns of FeMoNi/NF and MoNi/NF, (c, d) SEM images of Fe-NiMoO₄ and NiMoO₄, (e, f) SEM images of FeMoNi/NF, (g-i) TEM images of FeMoNi/NF, (j) Elemental mapping of FeMoNi/NF.

材料合成中，采用焦耳熱快速加熱的方法，在泡沫鎳上設(shè)計(jì)了一種新型NiFe-MoO₂ 異質(zhì)結(jié)，用作高效的雙功能電催化劑。制備的催化劑具有大比表面積以及豐富界面的優(yōu)點(diǎn)。

材料表征

Fig. 2. XPS spectra of FeMoNi/NF and MoNi/NF: (a) Ni 2p; (b) Mo 3d; (c) Fe 2p and (d) O 1s.

用XPS對(duì)樣品的組成進(jìn)行了研究。與MoO₂相比NiFe-MoO₂的Ni 2p與Mo 3d峰值均發(fā)生了移動(dòng)，說明NiFe合金/MoO₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的電子相互作用，有效調(diào)整與中間體的吸附能。

性能測(cè)試

Fig. 3. (a) LSV curves of various catalysts, (b) Comparison of HER performance of FeMoNi/NF with other electrocatalysts (j = 10 mA cm^-2) tested in alkaline seawater, (c) Tafel plots, (d) C_dl and (e) EIS plots of various catalysts. (f) Chronopotentiometry at 50, 250 and 500 mA cm^-2 of FeMoNi/NF in alkaline seawater electrolyte.

Fig. 4. (a) LSV curves of various catalysts, (b) Comparison of OER performance of FeMoNi/NF (j = 50 mA cm^-2) with other electrocatalysts (j = 10 mA cm^-2) tested in alkaline seawater (c)Tafel plots, (d) C_dl and (e) EIS plots of various catalysts. (f) Chronopotentiometry at 50, 250 and 500 mA cm^-2 of FeMoNi/NF in alkaline seawater electrolyte.

研究了催化劑在堿性海水中的HER/OER性能。HER過電位僅20 mV（10 mA cm^-2），OER過電位僅250 mV（50 mA cm^-2）這領(lǐng)先于商業(yè)的催化劑。同時(shí)該催化劑也表現(xiàn)出了優(yōu)異的穩(wěn)定性。并且由NiFe-MoO₂以及原位轉(zhuǎn)化的(Ni,Fe)OOH/MoO₂構(gòu)成的堿性海水電解槽也具有優(yōu)異的活性，并與自制太陽能電池組成的組成光伏輔助水電解系統(tǒng)的STH效率達(dá)到12.47%。

機(jī)理研究

Fig. 5. The calculated partial density of states (DOS) diagram of (a) MoO₂ model and (b) FeMoNi model, (c) Differential charge density of FeMoNi model, wherein the blue contour indicated the charge accumulation, (d) Free energy diagram for intermediate adsorption, (e) The electron-localization function (ELF) of MoO₂ and FeMoNi. (f) PDOS diagram for oxygen’s p orbital of MoO₂, FeMoNi and hydrogen’s s orbital.

小結(jié)

這項(xiàng)工作采用一種新穎的快速焦耳加熱技術(shù)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種 NiFe-MoO₂ 異質(zhì)結(jié)，與其原位轉(zhuǎn)化的(Ni,Fe)OOH/MoO₂用作高效的雙功能電催化劑。制備的催化劑綜合了大比表面積以及豐富界面的優(yōu)點(diǎn)，在堿性海水中表現(xiàn)出優(yōu)異的HER/OER電催化活性。同時(shí)，在快速的加熱/冷卻過程中，F(xiàn)e_0.5Ni_0.5 合金呈現(xiàn)出面心立方相，可進(jìn)一步優(yōu)化 Fe-Ni 鍵，提高電導(dǎo)率。同時(shí)催化劑了獲得豐富的O缺陷，使其電化學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)CVD合成的催化劑。本研究為合理的構(gòu)建高效裂解海水電催化劑提供了參考。