广西大学|尹诗斌教授 ACB观点：具有工业应用前景的IrNi-FeNi3纳米片全水解催化剂- 大数跨境

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广西大学|尹诗斌教授 ACB观点：具有工业应用前景的IrNi-FeNi3纳米片全水解催化剂

科学材料站

2021-01-21

导读：该观点文章通过引入非贵金属，采用简单的一步溶剂热法合成纳米片结构，制备出了具有一定工业应用前景的自支撑双功能催化剂，其在大电流密度下具有优异的催化性能。

文章信息

具有工业应用前景的IrNi-FeNi3纳米片全水解催化剂

第一作者：王亚美

通讯作者：尹诗斌

单位：广西大学

研究背景

制备高效稳定的催化剂降低反应能耗是电解水制氢目前面临的重要问题。贵金属铱具有优异的催化性能，但由于其储量少、成本高，实际应用受到很大限制。

本工作通过引入非贵金属与贵金属铱形成合金，采用简单的一步溶剂热法合成了具有独特纳米片结构、较低铱载量（1.218 wt.%）、且在大电流密度下具有优异催化活性和稳定性的自支撑全水解催化剂。其在接近工业电解水的条件（6.0M KOH，60 ℃）和500mA/cm2的大电流密度下可以稳定运行长达100h，体现出一定的实际应用潜力。

文章简介

近日，广西大学尹诗斌教授团队在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Industrially promising IrNi-FeNi3 hybrid nanosheets for overall water splitting catalysis at large current density”的文章。

该观点文章通过引入非贵金属，采用简单的一步溶剂热法合成纳米片结构，制备出了具有一定工业应用前景的自支撑双功能催化剂，其在大电流密度下具有优异的催化性能。

图1. IrNi-FeNi3/NF纳米片的合成示意图.

本文要点

要点一：引入非贵金属形成IrNi-FeNi3

引入其他金属与Ir形成合金不仅可以降低贵金属的含量，同时还可以提高催化剂的本征活性。其中，过渡金属Ni储量丰富，引入Ni与Ir形成IrNi合金是经济有效的选择。除此之外，与其他活性材料形成混合物也是提高催化性能的有效策略。

基于此，本文制备了IrNi-FeNi3混合物（IrNi合金与FeNi3合金混合）。XPS测试表明，与IrNi/NF相比，IrNi-FeNi3/NF中Ir的结合能增大了约0.2eV，表明IrNi和FeNi3之间可能存在电子相互作用，从而影响了活性中心的固有性质和氢吸附中间状态（H*）的吸附/解吸能力，改善了催化性能。

图2 （a）IrNi/NF和IrNi-FeNi3/NF的XRD衍射图，（b）IrNi/NF和IrNi-FeNi3/NF的Ir4f XPS谱图，IrNi-FeNi3/NF的（c）Fe2p XPS谱图和（d）Ni2p XPS谱图.

要点二：采用三维导电基底，通过调控微观形貌，得到具有自支撑结构的纳米片

从SEM和TEM图中可以看出，IrNi-FeNi3/NF由较薄的二维纳米片堆叠组成，其具有较大的比表面积、高纵横比和电子迁移率，以及特殊的热传导和量子霍尔效应，可以暴露更多的活性位点，从而提高催化活性。

此外，选择三维导电基底作为支撑载体，不仅可以增强催化剂与基底界面之间的电荷传输，还可提高电极的机械强度，避免使用粘结剂，使其具有更好的稳定性。同时，三维导电基底骨架具有较大的比表面积，可以暴露更多的催化活性位点，且有利于催化剂在大电流密度下的快速传质。

图3 IrNi-FeNi3/NF的形貌图（a）TEM图，（b，a）中红圈对应的HRTEM图，（c-g）Ir、Fe和Ni对应的EDS元素分布图.

要点三：大电流密度下性能优异，具有工业应用前景

在1.0 M KOH溶液中对IrNi-FeNi3/NF进行电化学测试，结果表明其具有优异的OER性能（20=240mV，500=300mV，1000=330mV，2000=370mV）和HER性能（10=31.1mV，500=249mV，1000=289mV，3000=413mV），且可以在±1000mA/cm2的电流密度下分别稳定测试124h。

全水解时，只需要1.47V和1.78V的电压就能分别达到10和500mA/cm2的电流密度，在接近工业电解水的条件（6.0M KOH，60 ℃）和500mA/cm2的大电流密度下对其进行了长达100h的全水解测试，稳定性优异，表现出一定的应用潜力。

图4 （a）催化剂在1.0 M KOH中的全水解LSV曲线，（b）催化剂在6.0 M KOH溶液，60 ℃，500 mA cm−2的计时电位曲线图，（a）中的插图是产氢和产氧的示意图.

要点四：前瞻

本文通过引入非贵金属形成合金、调控形貌等策略，制备了具有较低铱载量（1.218 wt.%）和独特纳米片结构的自支撑双功能电解水催化剂，为具有工业应用前景的大电流密度电解水催化剂的研发提供了一个可选方案，但是需要结合理论模拟及原位表征等技术手段进一步揭示催化反应机理及活性增强机制。

文章链接

“Industrially promising IrNi-FeNi3 hybrid nanosheets for overall water splitting catalysis at large current density”

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.119881

通讯作者介绍

尹诗斌教授

广西大学化学化工学院教授，博士生导师。分别于2005年和2008年在武汉理工大学获得复合材料专业学士和硕士学位，2010年在中山大学获得材料物理与化学专业博士学位，2014-2015年在南非西开普大学从事博士后研究。现任广西石墨烯标准技术委员会委员，《电化学》杂志编委，中国化学会会员，中国化工学会会员，国际电化学协会会员，中国能源研究会资深会员，NSFC评审专家，南非NRF评审专家，教育部学位中心论文评审专家，JACS、AM等专业期刊审稿人。

主要研究方向为燃料电池、电解水、金属空气电池、锂离子电池、石墨烯宏量制备及应用开发等。迄今已在Energy & Environmental Science、Advanced Materials等专业期刊上发表SCI论文60余篇，授权国家发明专利22件，出版专著2部，参与编写广西地方标准3项。主持国家自然科学基金面上项目等共计20余项，其中企业委托技术开发4项。作为骨干参与了国家863、973、国家自然科学基金联合基金等重大科研专项22项。2016年入选广西高校百人计划，2017年获得广西壮族自治区政府颁发的石墨烯系列标准奖励，2019年被认定为广西第一批高层次人才（E类），2019年入选广西高校卓越学者和创新团队，2019年获得广西自然科学一等奖（排名第二）。

第一作者介绍

王亚美，女，24岁，四川遂宁人，2014年7月本科毕业于郑州大学化学工程与工艺专业，2014年9月于广西大学化学化工学院化学工程专业攻读专业硕士学位。硕士期间在尹诗斌教授课题组学习，主要研究课题为铱基纳米催化剂的制备及其电解水性能研究，在Appl. Catal., B发表研究论文2篇。

课题组介绍

广西大学尹诗斌课题组，主要成员：尹诗斌教授，博士生导师；沈芳副教授，硕士生导师；何会兵助理教授，硕士生导师；罗林博士，实验员。主要组员：博士钱光付、陈金丽等、硕士陈伟、冯寿权、徐清莲等。主要研究方向为：1. 燃料电池、电解水、石墨烯的宏量制备及应用开发；2. 二次储能电池材料研究及其应用开发；3. 功能性高分子材料等。

通讯地址：广西南宁大学东路100号，广西大学，化学化工学院

邮政编码：530004

电子邮件：yinshibin@gxu.edu.cn

办公地址：广西大学化学化工学院3号楼

学院主页：https://hxhgxy.gxu.edu.cn

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