倪永红教授CEJ: 互为模板法制备的非贵金属纳米管阵列复合催化剂用于碱性介质中高效水氧化- 大数跨境

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倪永红教授CEJ: 互为模板法制备的非贵金属纳米管阵列复合催化剂用于碱性介质中高效水氧化

科学材料站

2021-01-02

导读：该文设计了一种互为模板路线，利用Cu(OH)2纳米线易被Fe3+刻蚀，且可被电化学还原为具有优异导电性的铜单质等特性，成功构建了有优异电催化活性的Ni-P/Fe(OH)3-Cu NTs复合催化剂。

文章信息

互为模板法制备的非贵金属纳米管阵列复合催化剂用于碱性介质中高效水氧化

第一作者：李明霞

通讯作者：倪永红*

单位：安徽师范大学

研究背景

氢能具有高效、环保、可持续等优点被认为是一种理想的化石燃料替代品。在各种制氢的技术中，电化学水裂解是一种简单而有效的方法，已吸引了科研工作者的极大关注。与HER的2e转移过程不同，OER有高的活化势垒和缓慢的质子耦合多电子转移，被认为是提高全水裂解效率的关键。

为了加快OER过程并降低成本，近年来，基于过渡金属材料的非贵金属电催化剂，包括碳化物、氮化物、硫化物、硒化物、氢氧化物、磷化物、磷酸盐等吸引了日益增加的兴趣。其中，氢氧化物有优异的电化学性能而被广泛关注。然而，其差的导电性又严重制约了其电解水效率。为此，改善氢氧化物的电导率成为提升其电催化活性的核心问题。

本文设计了一种简单、温和、快速的化学氧化-刻蚀-电沉积路线，成功地构筑了碱性介质中具有优异OER催化性能的Ni-P合金/Fe(OH)3纳米管-Cu金属复合电催化剂。为全水裂解提供了新的OER催化剂选择。

文章简介

近日，来自安徽师范大学的倪永红教授课题组在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Non-precious metal nanotube arrays hybrid catalyst prepared by a mutual template method for efficient water oxidation in alkaline medium”的研究文章。

该文设计了一种互为模板路线，利用Cu(OH)2纳米线易被Fe3+刻蚀，且可被电化学还原为具有优异导电性的铜单质等特性，成功构建了有优异电催化活性的Ni-P/Fe(OH)3-Cu NTs复合催化剂。

进一步研究表明，所得复合催化剂优异的电催化活性应归因于Ni-P合金、Fe(OH)3 NTs和原位生成的Cu单质之间的协同作用。而且，所制备的复合催化剂牢固地生长在泡沫铜的表面上，从而使所获得的催化剂具有优异的循环稳定性和耐受性。本文提出的互为模板路线为构建具有特殊形貌的新型催化剂提供了一条重要途径。

图1.Ni-P/Fe(OH)3-Cu NTs/CF电极的制备过程。

本文要点

要点一：互为模板法构建 Ni-P/Fe(OH)3-Cu NTs复合催化剂

首先，通过Fe3+刻蚀氢氧化铜形成Fe(OH)3:Cu(OH)2纳米管阵列。随后，采用电化学沉积法将Ni-P合金沉积在Fe(OH)3:Cu(OH)2纳米管上得到Ni-P/Fe(OH)3-Cu NTs/CF电极。

同时，Cu(OH)2被电化学还原为Cu单质，克服了催化剂导电性差的问题；并且Fe(OH)3在维持最终产物的纳米管阵列结构中起着重要作用，确保目标催化剂仍保留了3D纳米结构的特性。该制备过程具有简单、温和、快速的特点。

要点二：优异的OER电催化性能

实验揭示，所构筑的Ni-P/Fe(OH)3-Cu纳米管催化剂在1M KOH溶液中对OER表现出优异的催化性能，仅需271 mV的过电位即可实现20 mA cm-2电流密度，远低于380 mV的Ni-P催化剂和387 mV的Fe(OH)3:Cu(OH)2纳米管催化剂。

更重要的是，所获得的Ni-P/Fe(OH)3-Cu纳米管复合催化剂也具有出色的长期稳定性。在电流密度为20 mA cm-2的条件下连续催化130小时后过电位没有明显增加。

要点三：潜在的实际应用价值

鉴于Ni-P/Fe(OH)3-Cu NTs电极对OER具有显著的催化性能，作者组装了两电极体系。采用他们课题组之前制备的Ni/Cu/CF电极为阴极(Appl. Catal. B: Environ. 2020, 268, 118392. doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.118392)，所得Ni-P/Fe(OH)3-Cu NTs催化剂为阳极。

在20 mA cm-2的电流密度下仅需要1.561 V的槽电压即可实现全水解并表现出优异的催化耐受性。而且，该全水裂解装置能被市售的1.5 V太阳能电池板轻松驱动。显然，所制备的Ni-P/Fe(OH)3-Cu NTs复合催化剂在电解水领域中具有潜在的实际应用价值。

文章链接

Non-precious metal nanotube arrays hybrid catalyst prepared by a mutual template method for efficient water oxidation in alkaline medium

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128330

通讯作者介绍

倪永红教授

2001年12月毕业于中国科学技术大学化学与材料科学学院获理学博士学位，2002.01-2004.01年在南京大学配位化学国家重点实验室从事博士后研究。2004年2月加入安徽师范大学，现为化学与材料科学学院教授、博士生导师。长期从事无机功能材料的控制合成、性能与应用研究。迄今，已发表第一或通讯作者的SCI论文150余篇。