天大|韩晓鹏、胡文彬教授课题组AM：顺序电沉积MoO3/Ni-NiO复合电催化剂的双功能催化活性结构用于选择性HER&OER- 大数跨境

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天大|韩晓鹏、胡文彬教授课题组AM：顺序电沉积MoO3/Ni-NiO复合电催化剂的双功能催化活性结构用于选择性HER&OER

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2020-09-05

导读：本文报道了一种制备高分散性新颖的连续电沉积方法，用于在非晶态NiO纳米片上制造高度分散的超细MoO3和Ni纳米粒子。所制备的MoO3 / Ni-NiO杂化纳米材料表现出优异的双功能HER和OER活性以

文章信息

顺序连续电沉积MoO3/Ni-NiO复合电催化剂的双功能催化活性结构用于选择性HER&OER

第一作者：Xiaopeng Li

通讯作者：韩晓鹏*、胡文彬*

单位：天津大学

研究背景

化石燃料（煤、石油、天然气）的快速消费造成了一系列的环境危害，开发可再生清洁能源（如H2）对未来可持续发展具有重要意义。电催化水裂解由于其高能量转换效率（包括阴极析氢反应和阳极析氧反应）被认为是最有前途的制氢技术之一。

然而，电极上反应动力学迟缓，尤其是OER的四电子转移，导致电池电压过高，因此极大地限制了其应用。贵金属基材料（如Pt、IrO2和RuO2）被认为是HER和OER最先进的电催化剂。然而，其稀缺性和高成本阻碍了其大规模应用和商业化。而且，一种特定的贵金属基材料很难同时催化HER和OER，其稳定性仍不理想。因此，开发高效、耐用、性价比高的双功能电催化剂是水裂解技术的重要组成部分。

文章简介

近日，天津大学韩晓鹏、胡文彬教授课题组在国际顶级期刊ADVANCED MATERIALS (影响因子：25.809) 上发表题为“Sequential Electrodeposition of Bifunctional Catalytically Active Structures in MoO3/Ni–NiO Composite Electrocatalysts for Selective Hydrogen and Oxygen Evolution”的研究工作。

该工作采用一种新的顺序电沉积方法，制备了含有两种异质结构（即Ni-NiO和MoO3-NiO）的非晶态NiO纳米片与超细Ni和MoO3-NiO（MoO3/Ni-NiO）的耦合。合成的MoO3/Ni–NiO复合材料具有优异的电催化性能，在10 mA cm−2和100 mA cm−2下分别提供62 mV和347 mV的低过电位，用于催化析氢和析氧反应（HER/OER）。

此外，MoO3/Ni-NiO杂化物能够在1.55 V的低电池电压下实现10 mA cm−2的整体碱水裂解，具有优异的催化耐久性，显著优于之前报道的贵金属催化剂和许多材料。实验和理论研究共同证明生成的Ni–NiO和MoO3–NiO异质结构显著降低了能量势垒，并作为选择性HER和OER的催化活性中心，协同加速了整个水分裂过程。从根本上指导了异质结构的异质结构的设计，为进一步研究异质结构的设计提供了理论指导。

该文章第一作者为Xiaopeng Li

韩晓鹏、胡文彬教授为本文共同通讯作者

要点解析

要点一：两步顺序电沉积法合成MoO3/Ni–NiO纳米杂化物及其表征。

图1.

a）碳布上MoO3/Ni-NiO制备示意图。

b） Ni-NiO，MoO3/Ni-NiO和碳布的XRD图谱。

c、 d）MoO3/Ni–NiO的SEM

e，f）TEM，g）HRTEM图像。

f）的插图显示了SAED模式。

h） MoO3/Ni-NiO元素图。比例尺为500纳米。

要点二：XPS和XAS验证了MoO3/Ni-NiO中的电子调制和化学耦合效应，这显著地改变了MoO3和金属Ni的结构位形。

图2.

a、 b）MoO3、Ni–NiO和MoO3/Ni–NiO的Ni 2p和Mo 3d XPS光谱比较。

c） Ni箔、NiO、Ni-NiO和MoO3/Ni-NiO的Ni-K边氧烷谱和d）Fourier变换EXAFS光谱。

要点三：MoO3/Ni-NiO表现出比Ni-NiO（130 mV dec-1）和MoO3（615 mV dec-1）小得多的Tafel斜率（59 mV dec-1），进一步表明本征反应动力学显著加速。

图3.

a） 5 mV s−1时的极化曲线，

b）10和100 mA cm−2的过电位比较，

c）MoO3、Ni-NiO、MoO3/Ni-NiO和Pt/c的Tafel斜率。

d）奈奎斯特的EIS图。

e） Cdl计算。f） MoO3/Ni-NiO在电流密度为10mA cm-2时的计时电位响应。插图显示LS6000循环之前和之后。

要点四：对于MoO3–NiO，RDS变成了*OH到*O的脱质子化，最大上坡值大大降低到1.74 eV，这表明MoO3–NiO比NiO和Ni–NiO催化OER更有效。

图4.

a） NiO，Ni-NiO和MoO3-NiO的HER过程的Gibbs自由能图。Ni–NiO和MoO3–NiO的侧视模型。

b） NiO、Ni-NiO和MoO3-NiO异质结构在1.23和0 V下OER过程的吉布斯自由能图。MoO3–NiO表面有*OH、*O和*OOH中间产物的侧视图示意图。灰蓝色、绿色、白色、红色和青色球代表镍、钼、氢、晶格氧和吸收的氧。

结论

在本工作中，报道了一种制备高分散性新颖的连续电沉积方法，用于在非晶态NiO纳米片上制造高度分散的超细MoO3和Ni纳米粒子。所制备的MoO3 / Ni-NiO杂化纳米材料表现出优异的双功能HER和OER活性以及长期耐久性。

优化的电催化性能归因于生成了丰富的异质界面，充分暴露了活性中心，促进了电荷转移和协同效应。实验结果和DFT计算表明，Ni-NiO异质界面对提高其活性起到了重要作用，MoO3-NiO异质结具有选择性电催化作用。

这不仅为合理制备多种异质结构催化剂提供了一种简便可行的策略，而且加深了对结构依赖催化机理的认识，为清洁能源转化技术中新型杂化材料的进一步设计和开发提供了指导。

文章链接

Sequential Electrodeposition of Bifunctional Catalytically Active Structures in MoO3/Ni–NiO Composite Electrocatalysts for Selective Hydrogen and Oxygen Evolution

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003414

通讯作者介绍

胡文彬，教授，博士生导师。1984.09-1988.07中南工业大学（中南大学）材料学专业学生；1988.07-1991.03 ；天津大学材料学专业硕士研究生；1991.03-1994.06 中南大学有色金属冶金专业博士研究生。

1994.05-1996.06 上海交通大学材料科学与工程博士后流动站，博士后；1996.06-1999.12 上海交通大学材料科学与工程学院，副教授；1999.12-2000.12上海交通大学材料科学与工程学院，教授；2000.12-2013.12上海交通大学材料科学与工程学院，教授/博导；兼金属基复合材料国家重点实验室教授（2011年定为2级） 2012.05-2013.12上海交通大学特聘教授/博导；2014.01- 天津大学材料学院教授。

研究领域：

● 湿法冶金与材料制备科学● 材料表面结构与功能一体化● 微纳材料的控形控性制备与应用● 能源新材料

https://www.tbsi.edu.cn/index.php?s=/cms/39.html

韩晓鹏，讲师。· 2010.9-2015.7 南开大学材料物理与化学博士学位；2006.9-2010.7 天津大学化学工程与工艺学士学位。2015.10-至今天津大学材料学院讲师；2019.1-至今香港科技大学访问学者。研究领域：金属基微纳材料的湿法控形控性制备、表界面调控及物理化学机制、能量储存与转化器件的组装与性能评估。

http://mse.tju.edu.cn/info/1141/1480.htm