電催化分解水作為一種環境友好的高純度氫氣製備方法，在解決化石燃料逐漸枯竭引起的日益嚴重的能源危機和過量碳排放造成的日益嚴重的環境汙染之間的矛盾中起著至關重要的作用。分解水的陽極半反應，即析氧反應(OER)，由於其動態過程緩慢，被廣泛認為是限制反應的關鍵步驟。工業條件下通用性強的大電流密度催化劑體系是推動氫能從基礎應用走向實際應用的關鍵。
來自華中科技大學的學者提出了一種由分散的NiFe氫氧化物奈米顆粒和超薄NiS奈米片組成的肖特基異質結奈米片陣列(NiFeLDH/NiS)，以協同調節質量傳輸和電子結構，從而在大電流下觸發析氧反應(OER)活性。在催化體系中，NiS奈米片陣列的豐富孔隙率為快速傳質提供了豐富的催化中心和良好的電解質。此外，理論計算表明，NiFe LDH與NiS的偶聯可以調節Ni(Fe)原子的d帶中心和氧中間體的結合強度，從而獲得良好的OER動力學。因此，NiFe LDH/NiS肖特基異質結具有顯著的OER活性，在325 mV的超低過電位下電流密度為1000 mA cm-2。同時，NiFeLDH/NiS電極在工業水電解槽上進行了放大實驗，槽電壓穩定在2.01V，80h恆定催化電流為8000 mA，每立方米制氫比商用Raney Ni電極節省0.215 kWh。相關文章以“Schottky Heterojunction Nanosheet Array Achieving High-Current-Density Oxygen Evolution for Industrial Water Splitting Electrolyzers”標題發表在Advanced Energy Materials。
論文連結：
https://doi.org/10.1002/aenm.202102353
圖1.製造和結構表徵。A)NiS和NiFe LDH/NiS電極合成示意圖。b-d)清潔的泡沫鎳、NiS和NiFe LDH/NiS電極的掃描電鏡影象，(b)和(d)中的插圖顯示(b)中區域的放大影象和鎳絲上NiFe LDH/NiS橫截面的掃描電鏡影象。e)NiFe LDH/NiS電極的TEM影象、f，g)HRTEM影象和相應的快速傅立葉變換(FFT)圖形(插圖g)。h)NiFe LDH/NiS在鎳絲上橫截面的元素圖譜。
圖2.效能特徵。a)拉曼光譜，b)XPS測量，c-f)高分辨XPS譜，c)Ni 2p，d)Fe 2p，e)S2p，f)O 1S。
圖3.電化學測量。a)極化曲線；b)不同電極對應的塔菲爾圖。c)不同電極的活性比較；d)最新的NiFe基電催化劑。e)Nyquist圖和f)不同電壓下的Bode相圖。g)NiFeLDH/NiS在不同電解液中的恆電流密度為400 mA cm-2時的計時電位(CP)曲線。h)在工業用30%KOH電解液中，用NiFe LDH/NiS在不同溫度下的CP曲線。
圖4.OER測試後NiFeLDH/NiS的表徵。a)TEM和b)HRTEM影象。c)Ni 2p，d)Fe 2p，e)S 2p和f)O 1S的高分辨XPS譜。
圖5.電子結構和傳質的研究。a)計算出NiFe LDH、NiS和NiFeLDH/NiS的總態密度；b)計算出NiFe LDH、NiS和NiFe LDH/NiS的d軌道投影密度。c)電子密度差，d)提取的NiFeLDH/NiS模型二維資料圖。e)自由能圖和f)計算的過電勢。g)1.0M KOH液滴潤溼過程的數字影象，以及h)完全充氣時間。
圖6.工業電解槽裝置中應用的放大的大面積NiFe LDH/NiS電極。a)大面積NiS和NiFe LDH/NiS電極的數字影象和代表性區域1-5的相應掃描電鏡影象。b)工業電解槽裝置的數字影象。c)電解槽結構示意圖。d)工業電解槽的放大檢視。e)不同電極的數字影象。f)極化曲線和g)在80~85°C恆定催化電流8000 mA下80h的電解槽電壓。
綜上所述，本文構建了強耦合NiFe LDH/NiS肖特基肖特基異質結奈米片陣列，並協同優化了高電流密度析氧的局域電荷和傳質過程。所製備的NiFe LDH/NiS電極對OER表現出良好的催化活性，在100和1000 mA cm-2時的過電位分別僅為277 mV和325 mV。良好的催化效能歸功於其良好的結構特徵，包括多孔的層次化結構、奈米片層內有序無序的電疇、高度分散的NiFe LDH活性相以及NiFe LDH與NiS基體之間強耦合的肖特基介面。NiFe LDH/NiS電極具有成本低、易擴充套件、節能等優點，在大規模工業水電解中具有很好的實用性。在工業裂水電解槽中，在恆定催化電流8000 mA下，獲得了規模化的大面積NiFe LDH/NiS電極，並在80h內實現。此外，它在良好的小分子氧化方面的多功能性進一步凸顯了它在未來生物質耦合制氫系統中的潛力。（文：SSC）
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯絡，未經許可謝絕轉載至其他網站。
