Advanced Science:原位电化学策略制备核壳镍铁锡@镍铁(羟基)氧化物及其催化析氧研究

传统化石能源(如煤,石油,天然气)在推动人类社会快速发展的同时,也带来了一些挑战,如能源危机,环境污染,温室效应等。作为未来极具潜力的能源载体,氢气可从电解水的方式获得。考虑到析氧反应涉及到多个电子和质子的参与,它是电解水的瓶颈步骤,因此,研发出合适的策略并用于制备高效的析氧催化剂,具有重大意义。

深圳大学材料学院骆静利院士和符显珠教授课题组采用一种原位电化学策略合成出了具有核壳结构的材料,即先通过电化学沉积法制备NiFeSn合金纳米球,随后在碱性条件下通过阳极化处理将NiFeSn合金纳米球表面氧化成NiFe (oxy)hydroxide,从而得到NiFeSn@NiFe (oxy)hydroxide。NiFeSn合金纳米球表面的Sn在正的电势下能够与氢氧根生成络合物而溶解掉,因而生成氧空位的缺陷,并且能够提供较大的电化学活性比表面积。此外,该策略制备的催化剂中镍和铁的比例也易于调控。其中,经优化后的催化剂在1 M KOH中达到10 mA cm−2的电流密度时所需过电势仅为260 mV,在10 mA cm−2能够保持40000 s而无衰减,并展现出较高的TOF值和质量活性。

结合一系列表征手段,该催化剂优异的催化活性源于独特的结构:NiFeSn的内核具有良好的导电性,能够保证为NiFe (oxy)hydroxide的外壳提供有效的电子转移,而NiFe (oxy)hydroxide的外壳反过来隔绝了NiFeSn的内核与电解液的接触,能够避免其被氧化,并且在NiFe (oxy)hydroxide的外壳中存在氧空位以及较大的电化学活性表面积,有利于进一步催化析氧反应。

研究者相信,此项研究将会为设计高效的电化学催化剂提供了新的思路,并向大规模应用迈出了坚实的一步。该论文的第一作者为深圳大学材料学院陈明星博士,相关论文在线发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201903777)上。