Ni-Fe-S类非晶超薄纳米片用于大电流下高效电催化产氧

电催化分解水是一种高效的制备洁净、可持续能源的技术。然而,作为全解水半反应之一的电催化产氧反应因其缓慢的动力学严重限制着整体的能量转化效率。目前,性能优异的贵金属催化剂(如RuO2、IrO2等)成本高昂且储量稀少,极大地限制了其大规模应用。非贵金属基材料用作产氧研究虽然取得了一些进展,但仍然存在一些挑战。首先,由于多数为粉体催化剂,高分子粘合剂的使用使其表面活性位点被覆盖,并且大电流下气泡的冲击容易使催化剂脱落;另外,一些材料因较差的导电性、较低的活性面积及较繁琐的合成方法还不足以满足工业化的要求。兼具超薄和类非晶特点的材料,因其具有超高的比表面积和较高的质量活性、优异的电子迁移率和导电性,且较多的表面不饱和原子可作为活性位点,使其在电催化领域具有极高的应用价值。然而,目前在大电流下高效产氧的超薄、类非晶的非贵金属基三维自支撑电催化剂仍鲜有报道。

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最近,天津大学张兵教授课题组报道了一种简易且低成本的方法,制备了可在大电流下高效产氧的三维自支撑电催化剂。该工作以调控材料的结构和电子性质进而改善电催化性能为设计出发点,首先使用电沉积方法将类非晶的Ni-Fe-S超薄片(厚度约为2.2 纳米)制备在钛片上,继而结合氧掺杂和电化学调节策略改善电催化性能。通过氧掺杂,Fe的价态从二价转变成三价,更高价态的Fe的拉电子效应使得周围的Ni不易被氧化,从而加快产氧动力学;同时,氧掺杂还能降低材料的电阻,提高导电性。电化学调节使Ni的电子结合能负向移动,有助于促进产氧过程Ni-OO中间体中Ni-O键的断裂,进而促进氧气的释放;同时,还有益于增加材料的活性面积。该催化剂展现出了良好的产氧性能,当电流密度达到500和3000 mA cm-2时,过电位仅需300和435 mV。而且,其具有较小的Tafel斜率(39 mV dec−1),较高的TOF值(0.76 s-1)和超强的稳定性(在电流密度为1100 mA cm-2时能够稳定12 h不变)。该催化剂优异的性能源自这种具有更多活性位点的超薄和类非晶的纳米片以及其结构和电子性质间的协同效应。此外,如果使用镀金的钛片作为基底,产氧活性还能得到进一步的提升(电流密度为3000 mA cm-2时,过电位仅需370 mV)。

该工作不仅提供了一种有望应用在工业中的高效产氧的电催化剂,而且为设计其它高活性和高稳定性的电催化材料提供新思路。相关工作发表在Advanced Science (10.1002/advs.201600343)上。