【摘要】 贵金属基材料作为最先进的电解水催化剂，由于地壳稀缺、成本高以及在水碱电解液中的不稳定性等原因，限制了其大规模商业化的应用。

文章背景

 

 

贵金属基材料作为最先进的电解水催化剂，由于地壳稀缺、成本高以及在水碱电解液中的不稳定性等原因，限制了其大规模商业化的应用。开发地球资源丰富的过渡金属基催化剂已成为人们研究的热点。

 

NiFeOx被认为是理论计算和实验确定的析氧关键活性物种。但电催化性能有待进一步提高，以满足商业工业电解槽实际需要。

 

一种很有吸引力的想法是通过杂原子掺杂来控制组成，通过优化电催化剂的本构电子结构来提高电导率、润湿性，并调节对反应中间体的吸附自由能。

 

此外，形态工程和结构工程通过暴露更多的活性位点和缩短电子/质量转移路径是提高电催化性能的另一种有效方法。

 

文章详情 

 

为了改变界面/表面的组成和结构，太原理工大学刘光课题组等人在NiFeOx电催化剂(NiFe/NF)上通过水热处理和气相磷化策略原位引入S和P。

 

在碱性介质中，P -Ni3S2/NiFe/NF电极具有高电子导电性、疏水性和更多的活性位点，对OER表现出优异的活性和稳定性，仅需250 mV和372 mV即可驱动100 mA/cm2和1000 mA/cm2。

 

此外，它的多级异质结构也赋予了催化剂独特的多功能性能。这项工作不仅促进了NiFe-基催化剂在电解水中的应用，也提供了一个可行的先进电催化剂的改性方法。

 

 

结果与讨论

 

图2是催化剂的形貌表征，没有掺杂P的情况下，在透射电镜下只观察到Ni3S2的（202）以及（110）晶面。掺杂P之后，出现了NiP2晶体结构。EDS Mapping 可以观察到各个元素的分布情况。

 

 

图3是P -Ni3S2/NiFe/NF的OER性能表征，在1 M KOH碱性环境下，1.6 V电压时，可以提供990 mV的电流。

 

Tafel斜率为51.70 mV dec-1。在1000mA/cm2下，经过20小时的循环稳定测试后电压密度变化很小，这证明催化剂具有良好的OER稳定性。

 

 

图4是P-Ni3S2/NiFe/NF的HER催化活性。在电流密度10 mA cm-2表现出181 mV的过电位催化活性，并且具有良好的HER循环稳定性。在全解水的测试中，10 mA cm-2的电压仅为1.57 V。

 

 

总之，作者报道了一种自上向下的修饰策略，成功地构建了多级P-Ni3S2/NiFe/NF纳米阵列电催化剂。

 

S和P负离子在NiFe/NF表面协同掺入促进了非均相界面的产生，这使得得到的P Ni3S2/NiFe/NF具有优化的电子构型、高的电子导电性、疏气性以及丰富的活性位点。在100 mA/cm2和1000 mA/cm2电流密度下，P-Ni3S2/NiFe/NF的OER过电位分别为250 mV和372 mV。

 

在双电极碱性电解条件下，得到的P-Ni3S2/NiFe/NF||P-Ni3S2/NiFe/NF可在1.57 V电压下稳定驱动电流密度10 mA/cm2 24 h。

 

这项工作可以为先进电催化剂的改性提供新的思路，并促进廉价材料在电化学制氢中的应用。

 

 Zhang Y, Liu L, Wang J, et al. Rational introduction of S and P in multi-stage electrocatalyst to drive a large-current-density water oxidation reaction and overall water splitting. Journal of Power Sources, 2022, 518: 230757.

 

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