武漢理工木士春課題組Adv. Sci：Ni3S2/Fe-NiPx球形魔方——實現高效海水電解析氧反應
ASNChina AdvancedScienceNews 2022-01-26 08:30
摘要：武漢理工大學木士春教授課題組通過鐵氰化鉀直接刻蝕Ni3S2納米片獲得了具有特殊球形魔方結構的Ni3S2@NiFe普魯士藍類似物（PBA）復合材料。經低溫磷化處理，該球形魔方結構得以保持，并衍生為 Ni3S2/Fe-NiPx異質結構。其作為預催化劑在堿性和堿性海水中均表現出了優異的OER催化活性和穩定性。
關鍵詞：Advanced Science, 海水電解，析氧反應（OER）, 異質結構, 武漢理工大學,
水電解作為一種可持續的綠色產氫技術，是滿足未來社會能源需求的關鍵。而其中陽極端緩慢的析氧反應（OER）動力學嚴重限制了電解水效率。此外，為解決電解水技術在淡水資源匱乏地區應用的瓶頸問題，海水電解成為重要選擇。海水自然資源豐富，占全球水資源總量的96.5％，且海域風能，潮汐能等可再生能源豐沛。因此，將海水電解制氫技術與可再生能源發電技術相結合對氫能的發展及海洋資源的開發利用具有重大意義。然而，海水電解過程中陽極端的析氯反應（ClER）亦或是堿性條件次氯酸鹽的形成都會嚴重影響電極材料的OER催化效率。因此，開發高活性和高穩定性的非貴金屬OER電催化劑對于海水電解至關重要。
對于電催化劑，其應具有大的比表面積及均勻和足夠多的活性位點。因此，催化劑前驅體的選擇及合成條件顯得尤為重要。此外，合理構筑異質結構也被認為是調節材料電子結構和提高催化劑本征催化活性的有效策略。而且，硫（S）、磷(P)等陰離子亦會對電極催化材料產生協同催化作用。由此可見，如果在催化劑設計過程中綜合考慮這些積極的因素無疑將會有力改善催化材料的催化性能。
為此，武漢理工大學木士春課題組以Ni3S2為部分自犧牲模板，通過與鐵氰化鉀簡單的水熱反應構建了Ni3S2@NiFe普魯士藍類似物（PBA）復合材料。其中，PBA作為代表性的配位聚合物材料，具有可調節的金屬活性位點和開放框架結構。得益于Ni3S2納米片的高度可調控性，得到的Ni3S2@NiFe PBA呈現了獨特的球形魔方結構。而且經后續磷化處理，衍生的Ni3S2/Fe-NiPx/NF異質結構材料仍然保持了球狀魔方結構，不僅具有多維反應接觸面，還揭露更多的表面活性位點；同時，Fe位點的同步引入也極大促進了電極材料的本征催化活性。實驗結果表明，Ni3S2/Fe-NiPx/NF球形魔方作為預催化劑在1 M KOH和堿性海水中均展現了優越的OER催化活性：分別僅需291 和351 mV的過電位即可輸出1000 mA cm-2的超大電流密度，且具有200多小時的超高穩定性。進一步研究揭示了Ni3S2/Fe-NiPx/NF球形魔方在1 M KOH和堿性海水中發生了表面重構，促進了Ni(OH)2/Ni(Fe)OOH氧化層的生成。密度泛函理論（DFT）計算進一步分析了重構體系在OER過程中對中間產物的吉布斯吸附自由能影響，證明了Fe-Ni2P/FeOOH為OER活性中心。
此項工作為開發高效、低成本的水和海水電解OER電催化劑提供了新思路，相關論文在線發表在Advanced Science上。
論文信息：
Spherical Ni3S2/Fe-NiPx Magic Cube with Ultrahigh Water/Seawater Oxidation Efficiency.
Xu Luo, Pengxia Ji, Pengyan Wang, Xin Tan, Lei Chen, and Shichun Mu*
Advanced Science
DOI:10.1002/advs.202104846