CEJ: MOF衍生的S-NiFe PBA与NiFe LDH耦合作为Mott-Schottky电催化剂用于高效碱性析氧

MOF衍生的S-NiFe PBA与NiFe LDH耦合作为Mott-Schottky电催化剂用于高效碱性析氧

第一作者：申开远

通讯作者：邓书康*，王劲松*

单位：云南师范大学，昆明理工大学

环境问题和能源需求持续上升所造成的困境已引起全球范围内对可持续能源的关注。氢气（H₂）因其环境友好性而成为不产生碳排放的最有前途的化学燃料之一。通过电催化水分解产生可持续的H₂为清洁能源生产提供了一条可行的途径。但电催化水分解的阳极氧化半反应-析氧反应（OER）被认为是电催化水分解的瓶颈，表现出缓慢的动力学过程，制约电解水制氢的发展。目前，贵金属Ir/Ru及其氧化物被公认为是OER标准催化剂。然而，其高昂的成本和稀缺性严重限制了其规模化开发和使用。因此开发经济高效的OER电催剂成为了当务之急。

近日，云南师范大学邓书康教授、杨培志研究员与昆明理工大学王劲松副教授在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Metal-Organic Framework-Derived S-NiFe PBA Coupled with NiFe Layered Double Hydroxides as Mott-Schottky Electrocatalysts for Efficient Alkaline Oxygen Evolution Reaction”的研究文章。

该工作通过自牺牲模板法和电沉积法设计并构筑了具有独特Mott-Schottky异质结结构的S-NiFe PBA@NiFe/NF复合材料。基于原位合成策略，S-NiFe PBA@NiFe在NF上的原位生长有效地促进了NF衬底和S-NiFe PBA@NiFe催化剂之间的高效电子传输。S-NiFe PBA和NiFe LDH之间的Mott-Schottky异质结有效地加速电子输运。因此，S-NiFe PBA@NiFe/NF在1.0 M KOH条件下表现出优异的OER性能。

图1. S-NiFe PBA@NiFe/NF 电子输运示意图。

要点一：S-NiFe PBA@NiFe原位构筑于NF基底

该工作基于贵金属的稀缺性及粉末电极的缺陷，将非贵金属S-NiFe PBA@NiFe原位生长在NF上，有效加速了基底和催化剂之间的电子传导，简化了电极制作工艺。

图2. 自支撑S-NiFe PBA@NiFe/NF催化电极制备示意图。

要点二：Mott-Schottky异质结内建电场促进电荷转移

本文通过TEM、XPS及功函数的测试，证明Mott-Schottky异质结的存在，并结合EIS测试，表明了内建电场对电荷的促进作用。

图3. S-NiFe PBA@NiFe/NF(反应前)：(a) TEM图，(b-c) HRTEM图，(d) SAED图；S-NiFe PBA@NiFe/NF(反应后)：(e-f) TEM图，(g-h) HRTEM图，(i) SAED图。

图4. S-NiFe PBA/NF，NiFe/NF和S-NiFe PBA@NiFe/NF的高分辨XPS能谱：(a) Ni 2p，(b) Fe 2p；(c) S-NiFe PBA@NiFe/NF Mott-Schottky异质结能带图。

要点三：优异的碱性OER性能

电化学测试表明S-NiFe PBA@NiFe/NF Mott-Schottky异质结的形成使OER过电势明显降低，10 mA/cm²电流密度下过电势低至196.7 mV；同时OER表现出快速的动力学过程，Tafel斜率降低至39 mV/dec。该工作为构筑高效稳定Mott-Schottky异质结OER电催化剂提供了一种通用性的策略。

图5. (a) Mott-Schottky图(插图为放大Mott-Schottky曲线)；(b)不同催化剂电极的Nyquist图(插图为放大EIS曲线)；(c) S-NiFe PBA@NiFe/NF在10 mA cm^-2恒定电流密度下的稳定性；(d) 10 mA cm^-2恒定电流密度下的OER活性对比图。

Metal-Organic Framework-Derived S-NiFe PBA Coupled with NiFe Layered Double Hydroxides as Mott-Schottky Electrocatalysts for Efficient Alkaline Oxygen Evolution Reaction

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144827