徐赛龙教授、鄢红教授，CEJ观点：贵金属/非贵金属界面电子调控提升电催化性能

第一作者：李亚如，苗永晨

通讯作者：徐赛龙，鄢红

单位：北京化工大学

利用电催化剂来降低电解水析氧/析氢反应（OER和HER）过电位是提升能量转换效率的关键。在众多电催化剂中，Ni₃Fe合金表现出优异的OER活性。然而，Ni₃Fe较弱的H₂O分解能力和过强的氢中间体吸附能力限制了HER活性。

因此，提升Ni₃Fe合金的HER性能成为研究的重点。在众多的优化策略中，引入贵金属是有效促进合金析氢活性的方法；然而贵金属在地壳中储量匮乏且容易聚集，严重阻碍了大规模应用。如果将贵金属和Ni₃Fe合金结合，可以减少贵金属的含量，提升分散度防止因团聚失去活性，对制备高效、稳定、低成本的双功能催化剂具有重要意义。

基于此，来自北京化工大学的徐赛龙教授与鄢红教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Ir nanodots decorated Ni₃Fe nanoparticles for boosting electrocatalytic water splitting”的文章。该文章报道了Ir纳米点负载于Ni₃Fe合金的表面，贵金属通过界面效应改变Ni₃Fe合金的电子结构，促进H₂O分解反应，优化氧中间体和氢中间体的吸附能，改善了OER和HER的本征活性。

图1. Ir/Ni₃Fe/rGO的制备流程图

本文计了一种Ir纳米点锚定在Ni₃Fe合金上的结构，并以石墨烯为导电基底（Ir/Ni₃Fe/rGO）。该催化剂先将Ir纳米点负载于NiFeLDH/GO上，经过高温煅烧，Ir/NiFe-LDH/rGO被还原成Ir纳米点锚定在Ni₃Fe/rGO的结构。利用XRD、SEM、HRTEM等技术对该复合物的结构和形貌进行表征，证明Ir纳米点锚定在Ni₃Fe合金上。

图2 Ir/Ni₃Fe/rGO的（a）XRD 图，（b）TEM 和（c）HRTEM 图

要点二：界面电子调控

XPS结果表面，Ni和Fe的键能在Ir/Ni₃Fe/rGO中比在Ni₃Fe/rGO中更高，造成这一变化的原因是Ir纳米颗粒影响了Ni₃Fe合金的电子结构，即Ni和Fe失去电子，XPS峰向键能更高的方向偏移。众多文献说明，失去电子的Ni或Fe单质在OER过程中更容易被氧化生成NiOOH或FeOOH，因此加快析氧反应过程。

图3 Ir/Ni₃Fe/rGO的XPS图：（a）总谱图，（b）Ir 4f谱图，（c）Ir/Ni₃Fe/rGO 和Ni₃Fe/rGO中Ni 2p谱图，（d）Ir/Ni₃Fe/rGO 和Ni₃Fe/rGO中Fe 2p谱图，(e) O 1s 和 (f) C 1s谱图

要点三：电催化性能表征

Ir纳米点有效提升了Ni₃Fe合金的OER、HER和电解水性能。这是因为Ir纳米点降低了合金在OER和HER反应中的Tafel斜率、电荷转移电阻，并增加了活性位点，因此加快了反应动力学。

图4（a）OER极化曲线；（b）Tafel 斜率；（c）电化学化学阻抗图谱；（d）计时电位测试         

 图5（a）HER极化曲线；（b）Tafel 斜率；（c）电

阻抗图谱；（d）计时电位测试

图6（a）电解水生成氧气和氢气的电子图片；（b）极化曲线；（c）10 mA cm^-2电流密度下的电压；（d）计时电位测试

要点四：反应机理探究

DFT计算表明Ir纳米颗粒降低了Ni₃Fe/rGO在析氧反应中势能决定步骤的吉布斯自由能变，提升了OOH*中间体生成的可能性。此外，在析氢过程中Ir颗粒降低了水分子裂解反应的能垒，降低了生成氢中间体的吉布斯自由能变，提高了HER的本征活性。

图8（a）NiFeOOH 和（b）IrO₂/(NiFe)OOH在OER过程的吉布斯自由能图

图9（a）H₂O分解反应的能垒，（b）H*的吉布斯自由能

综上所述，我们利用贵金属Ir有效地提升了Ni₃Fe合金的HER性能，成功制备出具有高活性的OER/HER双功能电解水催化剂。

YaruLi1, Yong-ChenMiao1, ChenYang, Yu-XinChang, YuSu, HongYan*, SailongXu*, Ir nanodots decorated Ni₃Fe nanoparticles for boosting electrocatalytic water splitting, Chemical Engineering Journal, Available online 8 August 2022, 138548, 

该研究工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金的支持，表征及测试工作得到北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室的支持。

徐赛龙教授简介：2003年于中国科学院化学研究所获得博士学位。随后，在丹麦奥胡斯（Aarhus）大学多学科交叉纳米(iNano)中心从事博士后研究工作。2006年加入北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室。

长期从事锂离子电池负极储能材料、钠离子电池层状氧化物正极材料的设计和开发研究。以通讯作者/第一作者身份在Energy Storage Mater, Nano Energy, Small, J Mater Chem A, Sci China Chem, ACS Appl Mater Interfaces, Carbon, Nanoscale等学术刊物上发表100余篇研究论文。

鄢红教授简介：2009年于北京化工大学获得博士学位。随后，在香港科技大学从事博士后研究工作。1999年至今在北京化工大学理学院、化学学院、化工资源有效利用国家重点实验室工作。长期从事插层化学理论基础研究及能源催化材料设计及催化机理研究。以通讯作者身份在J Mater Chem A, Sci China Chem, ACS Appl Mater Interfaces, Nanoscale, J Phys Chem C等学术刊物上发表60余篇研究论文。

李亚如简介：2018-2022年就读北京化工大学化学学院博士研究生，师从徐赛龙教授，主要研究方向为纳米材料制备并应用于电解水制氢，以第一作者在Chem Eng J, J Mater Chem A和Catalysts 等学术期刊发表数篇研究论文。

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