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青岛大学杨东江教授团队：基于泡沫镍基底的镍铁基电解水催化剂的研究进展

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2020-01-07 08:57

正文

引言

上世纪以来，电解水制氢作为一种清洁又高效的制氢方法被广泛关注。同时，随着新能源产业的高速发展，尤其是2018年以来各国政府加快氢能行业的发展，推动氢能发展的相关政策相继出炉，人们对电分解水制得“绿氢”有了更迫切的需求。

电解水反应是由两个半反应组成的，分别命名为电化学析氢反应(HER)和电化学析氧反应(OER)，电解水两个半反应都需要高效的催化剂驱动，通用的电解水催化剂属于贵金属材料，如Pt，Ru和Ir等，贵金属高昂的成本和长时间的稳定性严重制约了电解水制氢行业化的发展。

目前，常用的解决方法主要有两种：

一是寻找高效低成本的催化剂替代贵金属。

二是通过搭载合适的载体提高催化剂的稳定性。

镍铁基电解水催化剂早在上世纪九十年代开始被关注，多年来一直是OER和HER研究领域的热点之一。由于表现出优异的OER和HER催化活性，镍铁基催化剂被认为是贵金属催化剂的替代者之一。

近年来，作为一种多孔导电易加工的载体材料，泡沫镍受到科研工作者的关注。研究表明，将泡沫镍作为OER和HER催化剂载体，可以显著提升催化活性和催化剂的稳定性。同时，由于成本低廉且自带镍元素的属性，使得将泡沫镍与镍铁基催化剂结合成为了设计电解水催化剂的一种新思路。

成果展示

近日， 青岛大学杨东江教授团队 在 Journal of Energy Chemistry 上发表题为“ NiFe-based nanostructures on nickel foam as highly efficiently electrocatalysts for oxygen and hydrogen evolution reactions ”的综述文章，分别从理论和实验角度综述了基于泡沫镍的镍铁基电解水催化剂的最新研究成果。

首先介绍了评估OER和HER活性的常用参数，并总结了研究中常用的评估标准。其次，分别从OER和HER两方面介绍了泡沫镍结合镍铁基催化剂的最新研究进展，包括合成策略、催化活性物质以及理论计算对催化性能的影响。最后，展望了泡沫镍基底的镍铁基电解水催化剂目前存在的挑战和科学问题。

图文导读

基于泡沫镍基底的镍铁基电解水催化剂

1. 评估参数

该综述简要介绍了用于评估OER和HER催化活性的常用参数，对于电催化性能最重要的参数—极化曲线，常用的分析方法是对比电流密度为10 mA cm-2时的过电位。然而，对于以泡沫镍为基底的催化材料，在10 mA cm-2时电流密度较小，不能体现出催化剂的性能差别，因此建议在比较过电位时所选取的电流密度应该尽量大一些，比如在电流密度为50 mA cm-2。塔菲尔斜率是判断OER和HER反应路径最常用的方法。电化学阻抗分析是用来研究电极表面的反应动力学的。电化学活性面积标定的常用方法是双层电容法，其结果可以更好地理解催化剂活性位点的催化行为。转化频率则能反映出催化剂的本征活性。稳定性是衡量催化活性的另一个非常重要的参数，尤其是大电流下的结果更具说服力。

2. 基于泡沫镍为基底的镍铁基电解水催化剂在OER方面的表现

该综述概述了近年来基于泡沫镍的镍铁基OER催化剂的研究成果，分别对合成技术、杂原子引入以及真实反应物相等方面进行了详细讨论。常用的合成技术主要有水热法和电沉积法，前者合成的催化剂具有规整的形貌，而后者具备反应时间短的优点。结合泡沫镍的元素特性，也可以通过直接将其参与反应得到结合度高的催化剂，所得材料往往具有优异的稳定性，且能承载更大的电流密度。另外，杂原子引入也能进一步提升镍铁基催化剂的OER活性，尤其是镍铁双金属氢氧化物的层间属性给予了杂原子引入空间。而对于过渡金属磷化物、硫化物和氮化物来说，发生OER的真实物相一直是人们争论的焦点，文中结合多篇报道也进行了分析说明。

3. 基于泡沫镍为基底的镍铁基电解水催化剂在HER方面的表现

文章从不同pH值电解液角度入手，对泡沫镍基底的镍铁HER催化剂进行了分类总结。主要的论述了泡沫镍在酸性电解液中的催化稳定性问题、反应前后催化剂的形貌与结构变化以及铁在HER中起到的作用。最后，对利用理论计算模拟反应过程以及活性位点的选择的研究进行了总结讨论。

小结

文末，作者提出了以下几点建议：

(1) 铁在催化过程起到的作用有待被探讨；

(2) 机理性研究有待增强；

(3) 真实的活性位点有待被明确。

文章信息

J Energy Chem

NiFe-based nanostructures on nickel foam as highly efficiently electrocatalysts for oxygen and hydrogen evolution reactions

Wei Zhang, Daohao Li, Longzhou Zhang, Xilin She*, Dongjiang Yang*

Journal of Energy Chemistry 39 (2019) 39-53

DOI: 10.1016/j.jechem.2019.01.017

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张威 (第一作者）

青岛大学硕士研究生，研究方向是电化学析氢和电化学产氧。

佘希林教授 (通讯作者)

青岛大学环境科学与工程学院副院长

2002年在青岛大学获得硕士学位，之后在北京化工大学获得博士学位。他的研究方向包括制备多功能纳米材料和用于储能与转换的能源设备。

杨东江教授 (通讯作者)

格里菲斯大学昆士兰微纳米技术中心的研究员、青岛大学特聘教授。

2006年于中国科学院获得博士学位，昆士兰科技大学和格里菲斯大学担任博士后研究员。2012年作为特聘教授加入青岛大学。他的研究方向主要集中在功能纳米材料用于能源储存与转换。

文献链接：

1. Gu, Y., Chen, S., Ren, J., Chen, C.M., Komarneni, S., Yang, D.J., and Yao, X.D., (2018). Electronic Structure Tuning in Ni3FeN/r-GO Aerogel toward Bifunctional Electrocatalyst for Overall Water Splitting. ACS Nano 2018, 12, 1, 245-253.

2. Wang, K.W., She, X.L., Chen, S., Liu, H.L., Li, D.H., Wang, Y., Zhang, H.W., Yang, D.J., and Yao, X.D., (2018). Boosting hydrogen evolution via optimized

hydrogen adsorption at the interface of CoP3 and Ni2P. J. Mater. Chem. A 6 (2018) 5560-5565.

3. Li, H., Zhao, X.L., Liu, H.L., Chen, S., Yang, X.F., Lv, C.X., Zhang, H.W., She, X.L. and Yang, D.J., (2018). Sub-1.5 nm Ultrathin CoP Nanosheet Aerogel: Efficient Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction at All pH Values. Small 2018, 14, 1802824.

4. Zhang, W., Zou, Y.H., Liu, H.L., Chen, S., Wang, X., Zhang, H.W., She, X.L., and Yang, D.J., (2019) Single-crystalline (FexNi1-x)2P nanosheets with dominant {01-1-1} facets: Efficient electrocatalysts for hydrogen evolution reaction at all pH values. Nano Energy 56 (2019) 813-822.

5. Tang, C., Wang, H.F., Wang, H.S., Wei, F., Zhang, Q., (2016) Guest–host modulation of multi-metallic (oxy) hydroxides for superb water oxidation. J. Mater. Chem. A 4 (2016), 3210.

研之成理各版块内容汇总：

1. 仪器表征基础知识汇总

2. SCI论文

青岛大学杨东江教授团队：基于泡沫镍基底的镍铁基电解水催化剂的研究进展

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