第一作者：趙展

通訊作者：孟祥超

論文DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123277

圖文摘要

成果簡介

近日，中國海洋大學孟祥超教授課題組在Applied Catalysis B: Environmental上發表了題為“Joule heating synthesis of NiFe alloy/MoO₂ and in-situ transformed (Ni,Fe)OOH/MoO₂ heterostructure as effective complementary electrocatalysts for overall splitting in alkaline seawater”的研究論文(DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123277)，該研究通過一種快速的焦耳加熱方法，設計了一種新型鎳鐵合金與氧化鉬復合物的電催化劑。這種催化劑呈現納米棒結構，具有大比表面積以及豐富的異質結構，與其原位轉化的(Ni,Fe)OOH/MoO₂表現出優異的裂解海水性能。

全文速覽

在這項研究中，作者采用一種新穎的快速焦耳加熱技術設計并構建了一種 NiFe-MoO₂ 異質結，用作高效的雙功能電催化劑。制備的催化劑具備大比表面積以及豐富界面的優點，在堿性海水中表現出優異的HER/OER電催化活性。同時，在快速的加熱/冷卻過程中，Fe_0.5Ni_0.5 合金呈現出面心立方相，可進一步優化 Fe-Ni 鍵，提高電導率。同時催化劑了獲得豐富的氧缺陷，使其電化學性能優于傳統CVD合成的催化劑。此外，DFT計算揭示了合金-金屬氧化物界面的協同作用，研究了活性位點的機理。同時制備的催化劑在雙電極體系和MEA電化學反應器中顯示出優異的活性，表明了實際應用的可行性。最后，將開發的電極與自制聚合物太陽能電池（PSC）組成光伏輔助水電解系統，STH效率達到了12.47%。

引言

海水作為電催化析氫的替代水源越來越受到人們的關注。但海水的復雜性導致電催化劑在海水裂解時活性低且不穩定，異質結在電催化裂解水方面表現出良好的前景。然而，制備電催化劑的傳統方法，如傳統的溫度編程化學氣相沉積（CVD），受到表面氧化、活性位點聚集、能耗過高和時間消耗過長等因素的影響，導致材料性能下降，影響工業化應用。因此，尋找合成具有豐富界面的電催化劑材料的有效方法至關重要。

圖文導讀

合成方法及材料表征

Fig. 1. (a) Schematic illustration of the synthesis process for self-supported FeMoNi/NF, (b) XRD patterns of FeMoNi/NF and MoNi/NF, (c, d) SEM images of Fe-NiMoO₄ and NiMoO₄, (e, f) SEM images of FeMoNi/NF, (g-i) TEM images of FeMoNi/NF, (j) Elemental mapping of FeMoNi/NF.

材料合成中，采用焦耳熱快速加熱的方法，在泡沫鎳上設計了一種新型NiFe-MoO₂ 異質結，用作高效的雙功能電催化劑。制備的催化劑具有大比表面積以及豐富界面的優點。

材料表征

Fig. 2. XPS spectra of FeMoNi/NF and MoNi/NF: (a) Ni 2p; (b) Mo 3d; (c) Fe 2p and (d) O 1s.

用XPS對樣品的組成進行了研究。與MoO₂相比NiFe-MoO₂的Ni 2p與Mo 3d峰值均發生了移動，說明NiFe合金/MoO₂異質結構之間的電子相互作用，有效調整與中間體的吸附能。

性能測試

Fig. 3. (a) LSV curves of various catalysts, (b) Comparison of HER performance of FeMoNi/NF with other electrocatalysts (j = 10 mA cm^-2) tested in alkaline seawater, (c) Tafel plots, (d) C_dl and (e) EIS plots of various catalysts. (f) Chronopotentiometry at 50, 250 and 500 mA cm^-2 of FeMoNi/NF in alkaline seawater electrolyte.

Fig. 4. (a) LSV curves of various catalysts, (b) Comparison of OER performance of FeMoNi/NF (j = 50 mA cm^-2) with other electrocatalysts (j = 10 mA cm^-2) tested in alkaline seawater (c)Tafel plots, (d) C_dl and (e) EIS plots of various catalysts. (f) Chronopotentiometry at 50, 250 and 500 mA cm^-2 of FeMoNi/NF in alkaline seawater electrolyte.

研究了催化劑在堿性海水中的HER/OER性能。HER過電位僅20 mV（10 mA cm^-2），OER過電位僅250 mV（50 mA cm^-2）這領先于商業的催化劑。同時該催化劑也表現出了優異的穩定性。并且由NiFe-MoO₂以及原位轉化的(Ni,Fe)OOH/MoO₂構成的堿性海水電解槽也具有優異的活性，并與自制太陽能電池組成的組成光伏輔助水電解系統的STH效率達到12.47%。

機理研究

Fig. 5. The calculated partial density of states (DOS) diagram of (a) MoO₂ model and (b) FeMoNi model, (c) Differential charge density of FeMoNi model, wherein the blue contour indicated the charge accumulation, (d) Free energy diagram for intermediate adsorption, (e) The electron-localization function (ELF) of MoO₂ and FeMoNi. (f) PDOS diagram for oxygen’s p orbital of MoO₂, FeMoNi and hydrogen’s s orbital.

小結

這項工作采用一種新穎的快速焦耳加熱技術設計并構建了一種 NiFe-MoO₂ 異質結，與其原位轉化的(Ni,Fe)OOH/MoO₂用作高效的雙功能電催化劑。制備的催化劑綜合了大比表面積以及豐富界面的優點，在堿性海水中表現出優異的HER/OER電催化活性。同時，在快速的加熱/冷卻過程中，Fe_0.5Ni_0.5 合金呈現出面心立方相，可進一步優化 Fe-Ni 鍵，提高電導率。同時催化劑了獲得豐富的O缺陷，使其電化學性能優于傳統CVD合成的催化劑。本研究為合理的構建高效裂解海水電催化劑提供了參考。