卢思宇课题组：氮掺杂碳点耦合NiFe-LDH用于电催化碱性淡水和海水氧化

目前的电解水制氢技术仍然高度依赖于高纯度淡水，这在很大程度上阻碍了其在多种环境中的商业发展，如干旱、草原、陆上或近海地区。在这种情况下，由于海洋储量取之不尽（占地球储水量的96.5%），海水电解受到越来越多的关注。然而，海水复杂的离子化学给处理海水电解过程中的离子扩散、副反应和阳极腐蚀/中毒带来了很大的困难。实际上，海水电解最直接的技术障碍源于析氧反应：（OER, 4OH^- → O₂ + 2H₂O + 4e^-; 1.23 V vs. RHE）和氯氧化反应（ClOR, Cl^- + 2OH^- → ClO^- + H₂O +2e^-；1.72 V vs. RHE ）之间的竞争。由于两个反应具有相近的的热力学势，ClOR将限制OER的法拉第效率并产生含氯物质（例如，ClO^-, Cl₂等）。理论研究表明，OER和ClOR之间的化学势将最大化，其中氧化化学势存在约480 mV的差值，这意味着在一定的几何电流密度下，过电势小于480 mV，ClOR过程将受到热力学抑制，从而可以实现100%的海水电解。因此，设计一种新型催化剂在温和的电化学环境下为海水电解提供高效稳定的OER活性具有重要意义。

本文提出了一种简便的策略来制造用于电催化碱性水和海水氧化的稳健且稳定的催化剂，其中NiFe-LDH被N-CDs改性以形成M-N-C键，以提高电荷转移效率，从而促进OER反应动力学并提高本征活性。由于复合材料之间的强耦合相互作用和优化的混合电子结构，精心构造的N-CDs/NiFe-LDH/NF有效地防止了氯离子腐蚀电极。同时拓展了催化剂的应用环境，对于海水氧化依然表现出良好的催化活性。在1.0 M KOH中，N-CDs/NiFe-LDH/NF驱动100 mA·cm⁻²电流密度仅需260 mV过电势，并且Tafel斜率低至43.4 mV·dec⁻¹。即便在海水的复杂环境下依然表现突出，具有优异的稳定性。

材料通过两步水热法合成，图中可见，N-CDs/NiFe-LDH纳米片阵列纵横交错生长在NF上。合成的N-CDs/NiFe-LDH/NF电催化剂具有清晰的桥连结构，其中均匀分散的N-CDs通过M-N-C键连接到NiFe-LDH上。

XPS分析可知，相比于NiFe-LDH/NF，N-CDs/NiFe-LDH/NF中的Ni 2p和Fe 2p的结合能发生了正向移动，表明电子由金属位点流向N-CDs，电子结构得以优化。更重要的是，应注意M-N-C（M = Ni 或 Fe）键的峰出现在400.0 eV，这在N-CDs和NiFe-LDH之间建立了桥梁，以促进OER过程中的电子转移。很明显，Pyridinic-N和Pyrrolic-N是维持强相互作用的两个主要物种。

在1.0 M KOH中，N-CDs耦合NiFe-LDH的电催化剂不仅表现出最佳的表观性能，驱动100 mA·cm^-2只需要260 mV，并且具有最小的Tafel斜率和最低的电荷转移电阻，说明其具有更快的反应动力学。此外，结果显示NiFe-LDH/NF的C_dl值为24.0 mF·cm⁻²，与N-CDs/NiFe-LDH/NF的C_dl值相近，表明负载N-CDs前后NiFe-LDH的电化学活性表面积近乎不变。因此，可以假设 N-CDs/NiFe-LDH/NF的增强催化活性归因于各个组分的协同效应以增强内在活性。ECSA归一化之后，该催化剂相比于单纯的NiFe-LDH/NF本质上在OER过程中更加活跃。N-CDs耦合NiFe-LDH后表现出更高的TOF值。

模拟海水OER测试中，N-CDs/NiFe-LDH/NF的三个LSV曲线无论是否存在Cl−都显示出几乎相同的趋势，由于低于480 mV的过电位，不足以触发ClOR，从而实现100%的海水电解。此外，N-CDs/NiFe-LDH/NF催化剂的OER活性仍然表现良好，在实际海水电解质中只有轻微衰减，驱动100 mA·cm⁻²仅需340 mV（图4(c)）。在LSV极化曲线中可以观察到大电流增加引起的峰值在1.46 V左右，这是由Ni²⁺/Ni³⁺的氧化反应产生的。令人印象深刻的是，即使环境相当复杂，N-CDs/NiFe-LDH/NF仍具备优异的稳定性。

丁鹏，2018年获得哈尔滨工业大学学士学位，硕士研究生就读于郑州大学（卢思宇教授课题组），随后在电子科技大学孙旭平教授课题组联合培养。曾以第一作者身份在Nano Res., J. Mater. Chem. A, Adv. Funct. Mater.,Inorg. Chem. 等期刊发表学术论文。

卢思宇，博士，国家优秀青年基金获得者，现任郑州大学化学学院教授，博士生导师，郑州大学能源化学研究所副所长，郑州大学首届青年拔尖人才。主要研究领域为光电纳米晶（碳点等）的性质，制备，及其杂化体系在显示和能源中的应用。近五年，以第一作者或通讯作者在Acc. Mater. Res, Angew. Chem., Adv. Mater., Matter, Nano Today等期刊共发表学术论文80余篇，其中影响因子大于10的论文共43篇，论文引用9000余次，47篇入选ESI高被引论文。主持包括国家优秀青年基金，面上基金，青年基金等多项国家级和省级重要科研项目。兼任SmartMat, Chinese Chemical Letters等国际著名期刊编委。

P. Ding, H. Song, J. Chang, et al. N-doped carbon dots coupled NiFe-LDH hybrids for robust electrocatalytic alkaline water and seawater oxidation. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4377-4.

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