​吉大Appl. Catal. B：Ni2P-NiFe2O4异质结构纳米片实现高效水氧化

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​吉大Appl. Catal. B：Ni2P-NiFe2O4异质结构纳米片实现高效水氧化
由于日益棘手的能源和环境威胁，发展可持续和可再生的能源转换和存储系统引起了全世界的广泛关注。氢气(H2)由于其清洁和高能量密度的优势，被认为是一种有希望的化石燃料替代能源。
\在多种产氢技术中，特别是电解水，为大规模无碳制氢开辟了一条新途径。然而，与阴极的析氢反应(HER)相比，阳极的析氧反应(OER)由于其复杂的质子-电子转移过程和O=O键形成，极大地限制了全解水的效率。
目前，贵金属氧化物，如RuO2和IrO2，仍然是公认的最先进的OER电催化剂，但由于它们的高价格，较差的稳定性和低丰度使得它们的商业可行性受到了极大的影响。因此，开发高效、稳定的非贵金属OER电催化剂以提高全水解的效率是非常紧迫和重要的。
基于此，吉林大学施展等人以Ni2P-NiFe2O4层状纳米片作为催化剂，实现了高效OER。
​吉大Appl. Catal. B：Ni2P-NiFe2O4异质结构纳米片实现高效水氧化
为了评估制备的催化剂的OER性能，本文将合成的催化剂涂覆在1×1 cm2的碳纸上，然后在1.0 M KOH溶液中进行了性能测试。首先，为了探究合成温度对催化剂性能的影响，本文测试了在不同磷化温度(250 ℃，300 ℃，350 ℃和400 ℃)下得到的催化剂的OER性能。
结果表明，在300 ℃下(Ni2P-NiFe2O4-300℃)制备的催化剂具有最优异的OER性能。具体来说，Ni2P-NiFe2O4达到10 mA cm-2、50 mA cm-2和100 mA cm-2的电流密度的过电位分别为255 mV、287 mV和305 mV，这远低于Ni2P、NiFe2O4、NiFe2O4/Ni、NiFe(OH)x和商业RuO2催化剂。
为了进一步验证制备的Ni2P-NiFe2O4的可重复性，本文采用同样的方法合成了8种工作电极。当电流密度达到10、50和100 mA cm-2时，催化剂的电位没有明显变化，这表明制备的Ni2P-NiFe2O4具有良好的可重复性。
本文除了在淡水条件下(1.0 M KOH)测试了催化剂的OER性能外，还评估了所制备的电催化剂在模拟海水电解质(1.0 M KOH+0.5 M NaCl)中的OER性能。令人满意的是，Ni2P-NiFe2O4电极达到10 mA cm-2、50 mA cm-2和100 mA cm-2的电流密度所需的过电位分别为266 mV、303 mV和324 mV，依旧远低于NiFe(OH)x、Ni2P、NiFe2O4和NiFe2O4/Ni。
​吉大Appl. Catal. B：Ni2P-NiFe2O4异质结构纳米片实现高效水氧化
为了更深入地了解Ni2P-NiFe2O4的OER机理，本文进一步进行了密度泛函理论(DFT)计算。计算后发现，Ni2P-NiFe2O4的态密度(DOS)在费米能级附近是连续的，这表明其具有良好的电导率。此外，还可以注意到费米能级附近的DOS主要由Ni贡献，这表明Ni可能是OER过程的主要活性位点。
之后，本文进一步计算了Ni2P、NiFe2O4和Ni2P-NiFe2O4的Ni原子的d带中心(εd)。总的来说，d带中心越接近费米能级，反键态的位置越高，与含氧中间体的相互作用和吸附越强。与Ni2P(εd=-1.77 eV)和NiFe2O4(εd=-1.56 eV)相比，构建的Ni2P-NiFe2O4(εd=-1.53 eV)异质结构，其d带中心向更高的能量方向移动，这可能与电子在异质界面上的重新分布有关。
随后，本文计算了氧反应中间体(*OH、*O、*OOH和O2)的自由能变化。对于NiFe2O4和Ni2P-NiFe2O4，在整个OER过程中，*OH→*O是其速率决定步骤(RDS)，计算出的能垒分别为2.31 eV和1.94 eV。
然而，Ni2P的RDS是形成*OOH(△G3=2.9 eV)。RDS的能垒降低表明，Ni2P-NiFe2O4异质结构的建立可以加速OER动力学，从而提高催化剂的电催化性能。总之，根据理论计算结果和实验结果，这项工作有望为非贵金属基高效电催化剂的合成提供新的策略，还可将这些高效催化剂用于电化学水分解以外的其他装置和应用。
​吉大Appl. Catal. B：Ni2P-NiFe2O4异质结构纳米片实现高效水氧化
Construction of Ni2P-NiFe2O4 heterostructured nanosheets towards performance-enhanced water oxidation reaction, Applied Catalysis B: Environmental, 2023, DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.123141.
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123141.

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