应用成果

第一作者：赵展

通讯作者：孟祥超

论文DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123277

图文摘要

成果简介

近日，中国海洋大学孟祥超教授课题组在Applied Catalysis B: Environmental上发表了题为“Joule heating synthesis of NiFe alloy/MoO₂ and in-situ transformed (Ni,Fe)OOH/MoO₂ heterostructure as effective complementary electrocatalysts for overall splitting in alkaline seawater”的研究论文(DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123277)，该研究通过一种快速的焦耳加热方法，设计了一种新型镍铁合金与氧化钼复合物的电催化剂。这种催化剂呈现纳米棒结构，具有大比表面积以及丰富的异质结构，与其原位转化的(Ni,Fe)OOH/MoO₂表现出优异的裂解海水性能。

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在这项研究中，作者采用一种新颖的快速焦耳加热技术设计并构建了一种 NiFe-MoO₂ 异质结，用作高效的双功能电催化剂。制备的催化剂具备大比表面积以及丰富界面的优点，在碱性海水中表现出优异的HER/OER电催化活性。同时，在快速的加热/冷却过程中，Fe_0.5Ni_0.5 合金呈现出面心立方相，可进一步优化 Fe-Ni 键，提高电导率。同时催化剂了获得丰富的氧缺陷，使其电化学性能优于传统CVD合成的催化剂。此外，DFT计算揭示了合金-金属氧化物界面的协同作用，研究了活性位点的机理。同时制备的催化剂在双电极体系和MEA电化学反应器中显示出优异的活性，表明了实际应用的可行性。最后，将开发的电极与自制聚合物太阳能电池（PSC）组成光伏辅助水电解系统，STH效率达到了12.47%。

引言

海水作为电催化析氢的替代水源越来越受到人们的关注。但海水的复杂性导致电催化剂在海水裂解时活性低且不稳定，异质结在电催化裂解水方面表现出良好的前景。然而，制备电催化剂的传统方法，如传统的温度编程化学气相沉积（CVD），受到表面氧化、活性位点聚集、能耗过高和时间消耗过长等因素的影响，导致材料性能下降，影响工业化应用。因此，寻找合成具有丰富界面的电催化剂材料的有效方法至关重要。

图文导读

合成方法及材料表征

Fig. 1. (a) Schematic illustration of the synthesis process for self-supported FeMoNi/NF, (b) XRD patterns of FeMoNi/NF and MoNi/NF, (c, d) SEM images of Fe-NiMoO₄ and NiMoO₄, (e, f) SEM images of FeMoNi/NF, (g-i) TEM images of FeMoNi/NF, (j) Elemental mapping of FeMoNi/NF.

材料合成中，采用焦耳热快速加热的方法，在泡沫镍上设计了一种新型NiFe-MoO₂ 异质结，用作高效的双功能电催化剂。制备的催化剂具有大比表面积以及丰富界面的优点。

材料表征

Fig. 2. XPS spectra of FeMoNi/NF and MoNi/NF: (a) Ni 2p; (b) Mo 3d; (c) Fe 2p and (d) O 1s.

用XPS对样品的组成进行了研究。与MoO₂相比NiFe-MoO₂的Ni 2p与Mo 3d峰值均发生了移动，说明NiFe合金/MoO₂异质结构之间的电子相互作用，有效调整与中间体的吸附能。

性能测试

Fig. 3. (a) LSV curves of various catalysts, (b) Comparison of HER performance of FeMoNi/NF with other electrocatalysts (j = 10 mA cm^-2) tested in alkaline seawater, (c) Tafel plots, (d) C_dl and (e) EIS plots of various catalysts. (f) Chronopotentiometry at 50, 250 and 500 mA cm^-2 of FeMoNi/NF in alkaline seawater electrolyte.

Fig. 4. (a) LSV curves of various catalysts, (b) Comparison of OER performance of FeMoNi/NF (j = 50 mA cm^-2) with other electrocatalysts (j = 10 mA cm^-2) tested in alkaline seawater (c)Tafel plots, (d) C_dl and (e) EIS plots of various catalysts. (f) Chronopotentiometry at 50, 250 and 500 mA cm^-2 of FeMoNi/NF in alkaline seawater electrolyte.

研究了催化剂在碱性海水中的HER/OER性能。HER过电位仅20 mV（10 mA cm^-2），OER过电位仅250 mV（50 mA cm^-2）这领先于商业的催化剂。同时该催化剂也表现出了优异的稳定性。并且由NiFe-MoO₂以及原位转化的(Ni,Fe)OOH/MoO₂构成的碱性海水电解槽也具有优异的活性，并与自制太阳能电池组成的组成光伏辅助水电解系统的STH效率达到12.47%。

机理研究

Fig. 5. The calculated partial density of states (DOS) diagram of (a) MoO₂ model and (b) FeMoNi model, (c) Differential charge density of FeMoNi model, wherein the blue contour indicated the charge accumulation, (d) Free energy diagram for intermediate adsorption, (e) The electron-localization function (ELF) of MoO₂ and FeMoNi. (f) PDOS diagram for oxygen’s p orbital of MoO₂, FeMoNi and hydrogen’s s orbital.

小结

这项工作采用一种新颖的快速焦耳加热技术设计并构建了一种 NiFe-MoO₂ 异质结，与其原位转化的(Ni,Fe)OOH/MoO₂用作高效的双功能电催化剂。制备的催化剂综合了大比表面积以及丰富界面的优点，在碱性海水中表现出优异的HER/OER电催化活性。同时，在快速的加热/冷却过程中，Fe_0.5Ni_0.5 合金呈现出面心立方相，可进一步优化 Fe-Ni 键，提高电导率。同时催化剂了获得丰富的O缺陷，使其电化学性能优于传统CVD合成的催化剂。本研究为合理的构建高效裂解海水电催化剂提供了参考。