孙迎辉/王显福/江林等 CEJ: 原位相变诱导的纳米异质结应用于全解水- 大数跨境

首页

孙迎辉/王显福/江林等 CEJ: 原位相变诱导的纳米异质结应用于全解水

科学材料站

2020-12-24

导读：该工作通过多金属复合和不完全磷化的原位诱导相变，设计了一种具有丰富纳米界面的多壳层双金属磷氧化物中空微米球，在碱性环境中同时实现高性能析氧和析氢双功能催化剂

文章信息

原位相变诱导的纳米异质结应用于全解水

第一作者：谢益鸣，赵博

通讯作者：孙迎辉*，王显福*，江林*

单位：苏州大学、电子科技大学

研究背景

在新型电解水材料的长期探索中，镍基材料因为其兼具高活性和低价格等优势而得到广泛的关注。然而，在碱性环境下，同时具备析氧和析氢功能的镍基催化剂相对较少，因此需要开发双功能镍基催化剂，以满足电解水产业对高催化活性、高稳定性和低成本的要求。

多金属复合、磷化改性等可以优化催化剂的电子结构并构建丰富纳米界面，是进一步提高镍基材料的催化活性和稳定性比较常用的有效策略。

然而，改进后材料的组成比较复杂，这对我们更深入的了解电解水反应的机理却产生了影响：多金属组分中不同金属元素具体起到了什么样的作用？磷化对材料产生了什么样的影响？反应中真正的活性中心又是什么？这些都是需要深入探究的科学问题。

文章简介

近日，来自苏州大学的孙迎辉、江林教授团队和电子科技大学的王显福研究员团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“In-situ Phase Transition Induced Nanoheterostructure for Overall Water Splitting”的研究论文。

该工作通过多金属复合和不完全磷化的原位诱导相变，设计了一种具有丰富纳米界面的多壳层双金属磷氧化物中空微米球，在碱性环境中同时实现高性能析氧和析氢双功能催化剂，并通过原位表征、结合理论计算，分析了复杂组分在析氧和析氢催化过程中的具体作用和机制。所制备的催化剂可以应用于高效的电解水反应。

图1. NiFeOP复合材料的合成与表征示意图。

本文要点

要点一：不完全磷化原位构建多壳层双金属中空结构

通过一步水热法合成具有两种不同金属离子的NiFe2O4三层空心结构，进一步对NiFe2O4前驱体进行不完全磷化处理，设计了包含NiFe2O4，Ni2P和FeP2组分的NiFeOP复合催化剂。这种复合催化剂一方面具有双金属氧化物的析氧反应催化活性，另一方面实现了金属磷化物高的析氢催化活性。与此同时，复合组分之间形成丰富的纳米界面，有利于电荷的快速传递，进一步提升催化剂活性。

要点二：优异的双功能电催化性能

目标催化剂是一种新型高效的双功能电催化剂。在碱性环境中，HER和OER反应的过电势分别为153 mV和217 mV（@10 mA cm-2）。同时，该催化剂还具有高的电化学稳定性，在10 mA cm-2的电流密度下，析氧反应和析氢反应均可以稳定工作超过40 h。最后，将催化剂用作阴极和阳极，用于全解水反应，其在10 mA cm-2电流密度时的电压仅需1.57 V，稳定性也超过了30 h。

要点三：HER反应机理的深入探究

磷化对复合催化剂具体产生了什么影响是需要深入研究的。本文利用第一性原理计算了HER反应中的氢吸附吉布斯自由能。通常意义上，过低的吉布斯自由能难以对氢有很好的吸附作用，而过高的吸附自由能又不利于后续产物的脱附。计算结果表明，磷化可以有效调节复合催化剂中各组分原子的氢吸附自由能，既能有效吸附氢，又能顺利使产物脱附，加快反应动力学，从而提升复合催化剂的析氢活性。

图2. 材料中不同原子的氢吸附吉布斯自由能。

要点四：利用多种表征技术对OER反应中间体进行了研究

借助于XPS表征，本工作确认了在镍铁双金属的协同作用中铁起到给电子的作用，而镍可能是真正的活性中心。进一步通过TEM和原位拉曼表征，最终确认了在OER反应中，催化剂表面生成了NiOOH真正的反应中间体。并且，反应后形成了NiOOH/NiFeOP的新型复合结构，该结构仍具有催化活性和稳定性，从而阐明了该多壳层双金属磷氧化物中空微米球的析氧反应机制。

图3. NiFeOP在OER反应后的TEM表征和反应过程中的原位拉曼表征。

通讯作者介绍

孙迎辉教授

苏州大学能源学院教授，2005年于吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室获博士学位。2006-2009年在德国明斯特大学物理系&纳米技术中心从事博士后研究，2009-2012年在新加坡南洋理工大学材料工程与科学学院从事博士后研究。目前已在Adv. Mater., Adv. Sci., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Energy., Small, ACS Nano, Nano Res., Nanoscale等杂志上发表研究论文近70篇。主要研究领域：低维无机纳米材料及其在新能源中的光、电催化应用。

江林教授

苏州大学功能纳米与软物质研究院教授。2005年于吉林大学获得博士学位。于2006-2009年和2009-2012年分别作为“洪堡学者”于德国明斯特大学物理学院和纳米技术中心和资深研究员在新加坡南洋理工大学材料科学工程学院从事博士后研究。研究集中于功能纳米材料的可控组装、性能调控以及应用探索。通过对空间静电势能与纳米粒子之间静电相互作用的协同调控，实现了对纳米粒子组装体系的功能化与固定化，为纳米粒子的精准组装与功能化奠定了理论和实验基础，探索在光电转换、催化、太阳能电池、燃料电池等方面的应用。主要研究方向包括：纳米粒子的可控组装；光电功能复合材料与器件；基于3D打印技术开发的新型复合材料与器件。目前已经在Acc. Chem. Res., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等国内外学术刊物上发表论文100余篇。

王显福研究员

2015年于华中科技大学获得博士学位，现为电子科技大学电子科学与工程学院、电子薄膜与集成器件国家重点实验室研究员。主要从事二维量子材料及其光电/存储器件、能源器件等领域的研究，重点聚焦和解决低维光电/能源材料的生长、调控和器件应用中的科学问题。以第一或通讯作者在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano等期刊共计发表SCI论文40余篇，单篇最高引用达770次，先后12篇论文入选ESI高被引论文。论文总引用6300余次，H因子40。获得“中国材料研究学会科技进步一等奖(2/7)”、“湖北省优秀博士学位论文”等奖励，入选“中国科协青年人才托举工程”等。

文章链接

“In-situ Phase Transition Induced Nanoheterostructure for Overall Water Splitting”

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720342728