基于NiFe水滑石为前体的Ni3FeN纳米颗粒的合成及电催化全分解水性能研究

随着世界人口急剧增长,人们对绿色环保、低能耗、高效率的可再生资源需求量大幅度增长。电催化全分解水产氢(HER)、产氧(OER),已被视为改变能源危机以及实现可持续氢能源发展的有效手段。大多数情况下,电催化剂都是单功能的,即只能有效地催化单一反应。开发一种双功能、可同时催化HER和OER反应的催化剂不仅可以简化电解装置,降低成本,还可以提高电催化效率。相比于广泛报道的氧化物和氢氧化物电催化剂,双金属氮化物因其独特的电子结构,为解决上述电催化分解水反应中的难题提供了可能。

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近期,中国科学院理化技术研究所超分子光化学研究团队张铁锐研究员报道了一种Ni3FeN纳米颗粒(Ni3FeN-NPs)的合成方法并对其电催化全分解水性能进行了详尽研究。首先通过反相微乳液法合成超薄NiFe水滑石(LDH)纳米片前体,通过高温氨化得到直径为100 nm,厚度为9 nm的Ni3FeN-NPs。该Ni3FeN-NPs表现出优异的HER及OER催化活性,其过电位、Tafel斜率以及电流密度均优于其它相应的非贵金属电催化剂,并在一定程度上优于贵金属Pt/C催化剂,且催化稳定性良好。通过X射线精细结构衍射及X射线光电子能谱对材料结构进行分析,发现该氮化物中,Ni和Fe都近似于零价,具有明显的金属特性;进一步通过量化计算,从理论上解释了较其它单金属氮化物和氧化物,该化合物良好的导电性以及Fe元素外层d轨道电子对H2O的吸附促进作用,进而提高了其全分解水的性能。

该研究提供了一种非贵金属电催化产氢、产氧的催化剂平台,为双金属氮化物在能源转化方面的发展提供了借鉴。相关工作已发表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201502585)。