【摘要】 在水分解成氢的过程中，通常有两个半反应，即阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)。

文章背景

 

 

在水分解成氢的过程中，通常有两个半反应，即阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)。

 

在该反应中，铂和钌基氧化物等贵金属通常分别用作HER和OER的催化剂。然而，贵昂贵的成本，稀缺的资源严重限制了其大规模应用。

 

与只有一个电子传递过程的HER相比，在过程中有四个电子传递和多个中间态的OER更加复杂，需要更大的电压来克服活化障碍，是双功能催化剂水裂解的主要瓶颈。

 

因此，迫切需要一种活性高、稳定性好的OER催化剂来开发低成本的双功能催化剂。

 

为解决HER活性低的问题，近年来研究开发了一种能有效调控催化剂的电子结构，使其处于富含活性位点的状态，并能优化催化剂的化学吸附能力的异相界面工程。

 

然而，将碳包覆与电催化剂相结合来提高催化剂的催化活性的方法尚不多见

 

实验思路与方法

 

内蒙古大学Yan-Qin Wang等人成功构建了泡沫镍(NPZFNS@C/NF)电催化剂上碳涂层双功能Fe掺杂Ni3S2/Ni2P异质结。

 

Ni3S2和Ni2P界面的构建可以有效调控电子结构和d带中心，增加活性位点，提高催化剂的电导率，从而提高催化剂的活性。

 

此外，Ni-ZIF的热解形成碳包覆可以进一步提高催化剂的催化活性。实验流程如图1所示，采用两步水热法成功合成了泡沫镍上Fe掺杂Ni3S2 (FNS/NF)。

 

 

结果与讨论

 

 

图2是催化剂的物相结构表征，可以清晰的看到各个晶体结构的晶格条纹以及界面分布。EDS Mapping 可以观察到各个元素的分布情况。

 

 

图3图4是催化剂的电催化活性。在10 mA cm2的电流密度下，其过电位为176 mV，低于目前报道的大多数OER催化剂。

 

然而，由于FNS/NF的HER活性较低，导致其在10 mA cm2的电流密度下，全解水电压为1.6 V，整体水分解活性较低，表明FNS/NF不能作为双功能催化剂。

 

采用Ni-ZIF作为前驱体，采用磷化法对催化剂的结构进行进一步优化，得到整体水分解性能优异的催化剂。

 

而Fe掺杂Ni3S2/Ni2P异质结在1M KOH电流密度为10 mA cm2时，OER的过电势为141 mV, HER的过电势为129 mV。在各种OER催化剂中，NPZFNS@C/NF的OER活性最好。

 

更重要的是，在10 mA cm2的电流密度下，过电位从235 mV (FNS/NF)降低到129 mV (NPZFNS@C/NF)，提高了HER活性。

 

 

DFT计算表明， NPZFNS@C/NF的海胆状形态具有较高的比表面积，有利于与电解质的接触，并提供丰富的活性位点。

 

Fe掺杂可以调节Ni3S2的电子结构，提供更多的高价Niδ+，有利于水氧化过程。此外，Ni3S2与Ni2P界面的形成和碳涂层的形成可以进一步调节电子结构，从而进一步提高OER和HER活性。

 

DFT计算也从理论上证实了Fe掺杂，界面的形成和碳包覆可以逐步调节电催化剂的电子结构和d带中心，进一步降低吉布斯自由能，提高OER和HER活性。

 

 Chen W Z, Liu P Y, Zhang L, et al. High-Efficient and Durable Overall Water Splitting Performance by Interfacial Engineering of Fe-Doped Urchin-like Ni2P/Ni3S2 Heterostructure. Chemical Engineering Journal, 2021: 130434.

 

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