余颖教授Applied Catalysis B: Environmental：室温下超快速制备多孔金属泡沫用于高效电解水- 大数跨境

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余颖教授Applied Catalysis B: Environmental：室温下超快速制备多孔金属泡沫用于高效电解水

科学材料站

2021-02-24

导读：本文报道了一种超快速的材料制备方法，在一分钟内就能制备一系列过渡金属泡沫用于高效电催化分解水。

文章信息

室温下超快速制备多孔金属泡沫用于高效电解水

第一作者：周建清

通讯作者：余颖*，余罗*

单位：华中师范大学，美国休斯顿大学

研究背景

随着化石能源的快速消耗和环境问题的日益严重，开发和使用清洁能源迫在眉睫。氢气被广泛认为是下一代清洁能源的载体。电催化分解水产氢因能利用可再生能源，因此具有大规模实际应用的前景。

电解水包括两个半反应：析氢反应（HER）和析氧反应（OER）。由于高的活化能垒和缓慢的质子耦合电子转移步骤，该反应比较缓慢。目前，公认催化活性高的HER和OER催化剂分别是贵金属铂（Pt）和铱/钌（Ru/Ir）基材料。但这些贵金属材料的高成本和低储量大大限制了其大规模应用。因此，研究人员致力于开发低成本和高性能的非贵金属电解水催化剂来取代贵金属催化剂。过渡金属不仅元素种类多和地球储量丰富，而且它们在很多催化反应中表现出较高的催化活性。

因此，科研人员开发了一系列过渡金属硫、氮和磷化物材料用于高效电催化分解水。遗憾的是，通常这些催化剂的制备过程耗能耗时，包括长时间的水热和高温煅烧等工艺过程。因此，考虑到商业化使用的要求，开发一种简单、快速和低成本的合成方法来制备电解水催化剂具有重要意义。

文章简介

近日，华中师范大学余颖教授和美国休斯顿大学余罗博士等合作在Applied Catalysis B: Environmental上发表了题为“Ultrafast fabrication of porous transition metal foams for efficient electrocatalytic water splitting”的研究论文。

本文报道了一种超快速的材料制备方法，在一分钟内就能制备一系列过渡金属泡沫用于高效电催化分解水。其中，NiCo和NiFe泡沫在碱性介质中展现出优异的析氢和析氧（HER和OER）活性。

结合这两种优秀电催化剂，研究人员组装了性能优异的碱性全解水电解槽，其性能甚至优于贵金属Pt/C(-)//RuO2(+)电解槽。本研究提供了一种简单快速的三维多孔过渡金属泡沫的制备方法，进一步加速了电催化分解水技术的发展。

图1. 三维多孔NiCo和NiFe金属泡沫材料的快速制备及其用于高效电催化分解水的示意图。

本文要点

要点一：室温下超快速制备多孔金属泡沫

虽然前期报道的过渡金属硫、氮和磷化物材料表现出较好的电解水活性，但这些催化剂的制备过程复杂，而且耗能耗时。因此，需要开发一种简单、快速和低成本的合成方法来制备电解水催化剂。

本研究开发了一种超快速的电沉积方法，制备了一系列具有三维多孔结构的过渡金属泡沫用于高效电解水。整个材料的制备过程简单高效，只需要将铜片和石墨棒分别作为工作电极和对电极，并将过渡金属盐溶液作为电解质溶液，利用电沉积过程中原位形成的氢气泡模板，室温下电沉积50秒即可快速制备出多孔NiCo和NiFe等过渡金属泡沫材料。

要点二：HER催化活性

在1 M KOH电解质中，研究人员利用三电极体系对过渡金属泡沫电极的HER性能进行了评估。研究发现NiCo泡沫比单独Ni和Co泡沫表现出更加优异的HER活性，它仅需86 mV过电势就可以输出10 mA cm-2电流密度，比Co泡沫材料和Ni泡沫材料分别少119和215 mV。

此外，长时间稳定性测试表明多孔NiCo泡沫催化剂具有良好的稳定性。双层电容 (Cdl) 结果发现Co泡沫拥有最大的Cdl，这表明NiCo泡沫的活性提高并不是来源于活性位点的增加。转换频率 (TOF) 的计算结果显示，在过电位为200 mV时，NiCo泡沫 (1.511 s-1) 的TOF远大于Ni泡沫 (0.013 s-1) 和Co泡沫 (0.027 s-1)，证实了NiCo泡沫具有更好的本征HER活性。而且DFT计算表明，相比于Ni和Co，NiCo泡沫展示出更优的H吸附自由能和d带中心位置，从而解释了优异的HER本征催化活性的原因。

要点三：OER催化活性

研究进一步发现NiFe泡沫比Ni和Fe泡沫表现出更加优异的OER活性，甚至优于商业的RuO2催化剂。多孔NiFe泡沫仅需206 mV过电势就可以达到10 mA cm-2电流密度，比Ni泡沫和Fe泡沫分别小119和215 mV。此外，多孔NiFe泡沫的OER质量和面积比活性也优于大多数报道的OER催化剂。

同时NiFe泡沫的Tafel斜率最小，只有43.5 mV dec-1，说明在OER过程中NiFe泡沫的催化反应速度更快。而且，长时间稳定性测试表明NiFe泡沫具有良好的稳定性。进一步，原位拉曼光谱表征结果显示在低过电位下，NiFe泡沫即可在表面产生高活性的OER物种Ni/FeOOH，因此NiFe泡沫表现出优异的本征OER活性。

要点四：全解水活性

鉴于多孔NiCo和NiFe泡沫的优异HER和OER催化活性，研究人员将两种泡沫材料配对成功组装了碱性全解水电解槽。全解水性能测试发现NiCo泡沫(-)//NiFe泡沫(+)电解槽只需要1.52 V电压就能提供10 mA cm-2电流密度，性能明显超过Pt/C(-)//RuO2(+)电解槽（1.58 V）。

此外，其全解水性能也优于许多基于异质催化剂和双功能催化剂的碱性电解槽。而且，研究发现该过渡金属泡沫电解槽在长期测试中也表现出良好的稳定性。

文章链接

Ultrafast fabrication of porous transition metal foams for efficient electrocatalytic water splitting

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120002

通讯作者介绍

余罗博士。

休斯顿大学物理系和德州超导中心博士后研究员。2013和2018年从华中师范大学分别获得学士和博士学位，导师余颖教授。2016年加入休斯顿大学任志锋教授课题组，主要从事纳米功能材料应用于电解（海）水和CO2还原的研究。截至目前，以第一作者和通讯作者身份在Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、ACS Energy Lett.和Nano Energy等期刊发表论文20余篇。

余颖教授。

博士生导师，华中师范大学物理科学与技术学院纳米科技研究所所长。1996年大连理工大学获得工学硕士学位，2000年南开大学获得理学博士学位。2003,11~2007,5期间分别到香港中文大学、美国普林斯顿大学和波士顿学院从事博士后以及访问研究工作，目前正在从事纳米结构材料的制备及其在能源转换和环境治理中应用的研究工作，已在Nat. Common.、JACS、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.、Adv. Energy Mater.、ACS Catal.、Nat. Nanotechnol.等上发表论文140多篇，被他人引用超过7800次，论文h-index为48。作为第一完成人于2013年和2009年分别获得湖北省自然科学二等奖和三等奖，并获得第二届武汉青年科技奖以及2009年“Scopus寻找未来科学之星”和环境领域“青年科学之星”奖。目前为Elsevier出版社Materials Today Physics（IF 10.443）杂志副主编。

第一作者介绍

周建清，华中师范大学物理科学与技术学院纳米科技研究所博士研究生，

导师余颖教授。2012年进入华中师范大学化学物理学交叉培养班学习，2015年入华中师范大学拔尖创新人才培养计划，2016年获得华中师范大学物理学士学位。截止目前，总共发表SCI论文15篇，其中以第一作者身份在J. Mater. Chem. A和Appl. Catal. B: Environ.等期刊发表4篇。目前的研究兴趣聚焦于非贵金属材料的制备及其在光电催化领域的应用。

课题组网址：

华中师大余颖课题组

https://www.x-mol.com/groups/Yu_Ying