【原】​阿尔伯塔大学《CEJ》：高效工业级别电解水新进展！

电化学水分解是一种很有前景的可持续技术，可以在可再生电力的转换中生产高纯度氢气，但能量转换效率会受到阳极析氧反应(OER)动力学缓慢的严重限制。NiFe层状双氢氧化物(NiFe-LDHs)纳米片被认为是水氧化最活跃的催化剂之一。研究者们已经开发了各种策略来进一步提高NiFe-LDHs纳米片的OER催化活性。尽管已经取得了一些令人鼓舞的进展，但由于有限的活性位点、较低的电导率以及相对繁琐的合成程序，NiFe LDHs的电催化性能仍然落后于商业要求(电流密度j ≥ 500 mA cm^-2时的过电位η ≤ 300 mV)。因此，如何通过简便可扩展的合成策略来大规模制备满足工业需求的高效电解水催化剂仍具挑战性。

近日，来自加拿大阿尔伯塔大学的研究团队在15分钟内通过一锅溶液法在室温下制备了由Ni₃S₂嵌入的NiFe LDH异质结构多孔纳米片(Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF)。该纳米片具有丰富的界面和改进的电子转移能力，此外，催化剂的多孔结构不仅为纳米片提供了更多暴露的活性位点，而且有利于离子转移和气泡释放，特别是有利于提升其在高电流密度下的稳定性。所制备的Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF^-2催化剂表现出优异的OER催化性能，提供50、500和1000 mA cm^-2的过电位分别仅为230、285和303 mV，并且具有35.6 mV dec^-1的低Tafel斜率和240小时内的出色的稳定性，优于大多数报道的非贵金属催化剂和贵金属基准催化剂。原位和非原位分析表明，Ni₃S₂在电氧化环境下可以原位部分转化为NiOOH，以驱动高效催化反应。该策略还可以扩展到制备用于高效析氢反应的Ru-Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF电催化剂。在驱动整体水分解时，耦合的Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2 || Ru-Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF电极在1.47、1.71和1.85 V的低电压下即可提供10、100和500 mA cm^-2的高电流密度，远远优于当前的商业要求。相关文章以“Ni₃S₂-embedded NiFe LDH porous nanosheets with abundant heterointerfaces for high-current water electrolysis”为题发表在Chemical Engineering Journal。

论文链接：

https:///10.1016/j.cej.2022.136105

图1.(a) Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF的合成示意图。(b) Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2的照片，面积为20×20 cm²。(c,d) Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2的SEM和TEM照片。(e,f) Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2的STEM图像。(g,h,i) Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2的HRTEM图像。(j)相应的快速傅里叶变换(FFT)模式。(k) HAAD-STEM图像和相关的元素映射图像。

图2.(a) NiFe LDHs/NF和Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2的XRD图谱。(b) NiFe LDHs/NF和Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2的拉曼光谱。(c-f) NiFe LDHs/NF和Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2的Ni 2p、Fe 2p、O 1s和S 2p的XPS光谱。

图3.(a)在Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2、NiFe LDHs/NF、RuO₂/NF和NF上记录的OER的LSV曲线。(b)相应的塔菲尔图。(c) 10批Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2在50、500和1000 mA cm^-2下的过电位直方图。(d,e) 50 mA cm^-2所需的过电位与300 mV电压达到的电流密度的比较。(f) 1 M KOH中Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2在100 mA cm^-2的计时电位曲线。(g,h) Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2、NiFe LDHs/NF和NF的ECSA和EIS图。(i) Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2、NiFe LDHs/NF的UPS光谱。

图4.(a-c) NF、NiFe LDHs/NF和Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2的表面润湿性和气泡释放行为。(d) Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2在电催化稳定性测试后的SEM图像。(e)从Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2上刮下来的样品在长期稳定性测试后的TEM图像。(f) Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2在电催化稳定性测试后的HRTEM 图像。(g) Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2电极反应前和电催化稳定性测试后的S 2p, (h) O 1s的XPS光谱。(i) Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2催化剂在1 V-1.5 V的电位范围内收集的原位拉曼光谱。

图5.(a)在Ru-Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF、Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2、Pt/C/NF和NF上记录的HER极化曲线。(b)相应的塔菲尔图。(c) Ru-Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF在10、50和500 mA cm^-2下的过电位直方图。(d)耦合Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2 || Ru-Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF和RuO₂ || Pt/C电解槽的整体水分解性能。(e) Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2 || Ru-Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF电解槽在50分钟内产生的H₂和O₂的实验量和理论量的比较。(f) 1 M KOH中Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2 || Ru-Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF电解槽在100 mA cm^-2下的计时电位曲线。

综上所述，本项目在室温下通过一锅溶液法在15分钟内合成了Ni₃S₂嵌入的NiFe LDH异质结构纳米片，该纳米片具有丰富的界面、大表面积、高活性、高效的质量传输和快速的电子输运能力。更重要的是，NiOOH是在电氧化环境下通过部分牺牲Ni₃S₂原位形成的，其中新形成的NiOOH与剩余的Ni₃S₂对驱动高效催化反应同样重要。在1 M KOH下，该催化剂在240小时内表现出卓越的电化学耐久性，仅需240 mV即可提供100 mA cm^-2的电流密度。此外，该策略还可以扩展到设计用于高效HER的Ru-Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF催化剂，并且将所得的Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF-2和Ru-Ni₃S₂-NiFe LDHs/NF作为电解槽进行整体水分解测试，只需要1.85 V的低电池电压即可达到工业级别的500 mA cm^-2的大电流密度。这项工作提供了一种经济高效且工业兼容的方法来制备水分解催化剂，以满足实际的工业电解需求。(文：暖阳)