Advanced Energy Materials:相辅相成——硼化诱导超薄Ni-ZIF/Ni-B晶体-非晶结构纳米片用于高效水分解电催化剂

电解水被认为是一种清洁、可持续的方式用来制取氢气,尤其是与风能,水能相结合的时候。电解水的理论分解电压为1.23V,但在实际生产过程中,其电压远高于1.23V,这导致了能源的浪费。为了能够有效的降低电解水过程中的过电位,各种催化剂被广泛的研究,其中贵金属基催化剂如Pt/C,IrO2等由于其优异的性能收到广泛的关注。但是贵金属基催化剂存在着价格昂贵,资源稀少的问题,这极大地限制了其实际应用。目前,研究者更多的关注3d过渡金属基催化剂,通过设计其形貌和结构来提高其催化性能。

复旦大学材料科学系吴仁兵课题组利用一种简单室温硼化的方法,发现通过控制硼化时间,能将泡沫镍上棒状的镍基沸石咪唑酯骨架(Ni-ZIF)晶体转化为超薄Ni-ZIF/Ni-B晶体-非晶结构纳米片,并随着时间的延长,完全转变为块状的Ni-B非晶。在电化学测试中,硼化4小时得到的超薄Ni-ZIF/Ni-B晶体-非晶结构纳米片具有最佳的电催化性能。在析氧反应(OER)过程中达到电流密度10 mA cm-2时仅需234 mV的过电位;而在析氢反应中达到这一电流密度仅需67mV。基于此,在用于全水分解时,该材料仅需1.54V可达到10 mA cm-2,优于商业的贵金属基催化剂。在反应过程中,晶体的Ni-ZIF和非晶的Ni-B结构能够分别发挥自身的优势,相辅相成。实验结合理论计算表明,这一晶体-非晶结构不仅能暴露更多的活性位点,而且可以调节反应过程中的决速步骤并有效降低反应能垒,从而获得优异的催化性能。

研究者相信,此项研究将会为如何设计高效的电解水催化剂,如何得到超薄二维纳米片提供新的思路。其中晶体与非晶结构的相辅相成,不仅在电解水催化过程中具有极大优势,相信也能在其他领域中得到应用。该成果的相关论文在线发表在Advanced Energy Material (DOI:10.1002/aenm.201902714) 上。