多孔Fe3O4修饰的Ni(OH)2纳米片的制备及其析氧性能研究
Direct growth of holey Fe3O4-coupled Ni(OH)2
sheets on nickel foam for the oxygen evolution reaction
多孔Fe3O4修饰的Ni(OH)2纳米片的制备及其析氧性能研究
丁钰, 苗博强, 赵越, 李富民, 蒋育澄, 李淑妮, 陈煜
近年来,
基于析氧反应(OER)的电化学能量转换体系(如电化学制氢、金属空气电池、氮气电还原和二氧化碳电还原）日益受到人们的关注.
各种过渡金属基(Mn,
Ni,
Co,
Fe,
Cu等)纳米材料(硫化物、氢氧化物、氧化物、磷化物和氮化物等)被认为是潜在的、可以代替贵金属的碱性OER催化剂.
其中,
高活性和低成本的Ni(OH)2基电催化剂被广泛关注.
由于面积效应、结构效应、电子效应和协同效应等因素,
Ni(OH)2基纳米材料的电化学活性与其形貌和化学成分密切相关.
引入纳米尺寸的孔,
不仅加快了传质,
而且增加了边缘活性原子的数量,
因而有利于活性的增强.
超薄二维(2D)纳米片因具有独特的结构特征,
可以为电催化反应提供充足的反应位点和低配位数的表面活性原子.
杂原子的引入可以调节纳米材料的电子结构和几何结构以提高它们的电催化活性.
本文提出了一种简单的混合氰胶水解策略,
成功合成了Fe掺杂的Ni(OH)2纳米片(Ni(OH)2-Fe H-STs).
氰胶前驱体骨架结构有助于形成超薄多孔的2D结构,
而且,
通过调节前驱体的浓度就可以获得一定镍铁原子比的产物.
不同Fe含量的Ni(OH)2纳米片的OER活性测试结果表明,
Ni/Fe比为3:1的Ni(OH)2-Fe H-STs-Ni3Fe1在碱性环境中具有最佳的OER活性.
由于Ni(OH)2-Fe H-STs-Ni3Fe1的超薄2D结构使大多数金属原子暴露在表面,
使原子利用率最大化.
同时,
超薄表面上高活性的低配位数的中心原子,
可以作为催化OER的高活性中心.
薄片上的孔隙有效地增加了高活性边缘原子的数量并且能够加速反应物和生成物的传质.
XPS测试结果表明,
Fe的引入显著改变了Ni的电子结构,
提高了Ni(OH)2
H-STs的导电性,
从而促进了电化学过程中NiIV活性物种的产生,
进而改变其OER本征活性.
三维镍泡沫(NF)可以防止负载纳米材料的聚集,
提高转移反应物/产物的传质速率.
因此,
本文将Fe掺杂的Ni(OH)2纳米片直接生长在NF基底(简写为Ni(OH)2-Fe H-STs/NF).
结果表明,
NF基底的引入进一步提升导电性和增加传质.
综上所述,
由于具有高比表面积、丰富的活性原子、Fe/Ni原子之间的协同效应以及NF基底的高导电性和三维多孔特性,
通过氰胶水解法获得的Ni(OH)2-Fe H-STs/NF在KOH溶液中表现出优异的OER活性,
在10 mA cm–2电流密度下过电位仅为200
mV,
Tafel斜率为56
mV dec−1,
并且材料具有良好的稳定性.
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