中南大学贺跃辉教授、江垚博士团队Appl. Catal., B：面向电解水的可规模化、低成本、高效的多孔Ni2Si基整体电催化剂

第一作者：何真丽

通讯作者：江垚*、贺跃辉*

单位：中南大学

电解水是一种有吸引力的制氢技术，目前贵金属仍然是最有效的催化剂，但是地球丰度低、成本高以及在碱性溶液中稳定性不足阻碍了其大规模应用。纳米结构电催化剂是通过暴露更多活性位点来提高电催化性能的一种有效策略，但是会降低催化剂性能稳定性。过渡金属硅化物具有特殊的晶体结构和电子结构，以及高的稳定性和电导率。原子掺杂是构建异质结构的一种有效策略，有利于提升全电解水性能。因此亟需设计和合成具有成本效益、高活性、高稳定性和可大规模使用的非贵金属自支撑电催化剂。

近日，中南大学贺跃辉教授、江垚博士团队，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Monolithic-structured nickel silicide electrocatalyst for bifunctionally efficient overall water splitting”的研究论文。该论文采用元素反应合成方法（图1）成功制备了Ni₂Si多孔整体电催化剂。

在1 M KOH中以典型的三电极体系进行了电化学性能测试。实验结果显示，Ni₂Si多孔整体催化剂显示出低的OER过电位（η10=273 mV），HER过电位（η10=80 mV），通过计时电位和CV循环稳定性测试，Ni₂Si多孔整体催化剂表现出极好的OER和HER稳定性。当组装成两电极体系时，Ni₂Si多孔整体催化剂达到10 mA cm^-2只需要1.60 V，表现出很好的长时间稳定性。

Ni₂Si在OER过程中的活性位点是Ni位点，自由能值为3.41 eV，Ni₂Si在HER过程中的活性位点是Ni-Ni-Si桥，自由能值为0.268 eV。Ni₂Si催化剂中Ni和Si的协同作用减小了能垒，导致OER和HER性能的提升。

采用Mo掺杂Ni₂Si进一步提升了多孔整体电催化剂的电催化性能，Mo-Ni₂Si-20表现出最好的OER（η10=142 mV，η100=287 mV）和HER（η10=53 mV，η100=194 mV）催化活性，以及良好的长时间稳定性。将Mo-Ni₂Si-20组装成两电极体系时，达到100 mA cm^-2电流密度仅需1.60 V的超低电压。采用DFT计算进一步揭示了Mo掺杂作用，OER过程中Ni位点是活性位点，自由能值为2.66 eV，HER过程中Ni-Mo-Si桥为活性位点，自由能值为0.165 eV，Mo掺杂引起的Ni、Mo、Si的强协同效应降低了自由能，进一步增强了OER和HER活性。

通过一种可规模化的反应合成方法制备了高活性、高稳定性的Ni₂Si基多孔整体电催化剂。Ni₂Si显示出优异的OER性能、HER性能、全水解性能，以及高的长时间稳定性。当引入Mo之后，Ni、Si和Mo之间强的协同效应能够明显优化中间体的吸附自由能，进一步提升了OER和HER活性。Ni₂Si基多孔整体电催化剂自身拥有优异的电催化活性和高的电导率，提升了整体性能。本工作为制备具有长时间稳定性和高催化活性的多孔整体电催化剂提供了一种新的策略，可以推广到其他材料以解决实际应用问题。

Monolithic-structured nickel silicide electrocatalyst for bifunctionally efficient overall water splitting

贺跃辉 教授简介：中南大学粉末冶金研究院教授，博士生导师。中南大学学术委员会委员。湖南省第九、十届、十一届政协委员。霍英东研究奖励基金获得者。中国国务院政府特殊津贴获得者。国家杰出青年科学基金获得者。教育部长江学者特聘教授。《Powder Metallurgy》、《Journal of Powder Metallurgy & Mining》、《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》、《Journal of Nanoscience Letters》、《中国有色金属学报》、《中国钨业》、《粉末冶金材料科学与工程》、《超硬材料工程》、《材料科学与工艺》、《粉末冶金材料科学与工程》、《精密成形工程》、《硬质合金》等国际国内期刊编委。已在国内、外Advanced Materials, Apply Physics Letters, Chemical Physics Letters等知名学术刊物上共发表论文400余篇。其中被EI收录247篇，引用2351次；被SCI收录262篇，引用2708次。获得国家发明专利66项。

江垚 博士简介：中南大学粉末冶金研究院副教授，博士生导师。研究方向为催化材料、多孔材料、工具材料。主要从事粉末冶金技术和金属间化合物多孔材料领域的研究工作。以第一作者及通讯作者在Advanced Materials，Applied catalysis B: Environmental，Chemical Communications，Corrosion Science，Journal of the European Ceramic Society，Intermetallics和Journal of Alloys and Compounds等期刊上发表论文30余篇。获国家发明专利授权10余项。2019年获湖南省自然科学奖二等奖。

何真丽：中南大学粉末冶金研究院2020级博士研究生。主要研究方向为金属间化合物多孔材料的制备及其在催化领域的应用。

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