齐齐哈尔大学《ACS ANM》：理论计算结合实验协同探究掺杂与异质工程对电解水性能的影响

材料分析与应用 · 公众号 · · 2024-09-30 16:35

正文

1 成果简介

开发高效的双功能电催化剂用于电催化水分解及通过理论计算探究反应机理仍是电催化水分解高效析氢的研究热点。 本文，齐齐哈尔大学王秀文、吕春梅研究团队与哈尔滨师范大学于鹏副教授在《ACS Applied Nano Materials》期刊 发表名为“Manipulating Electron Redistribution in the FeNi2S4/Ni3S2Heterostructure for Enhanced Alkaline Water Electrolysis”的研究论文 ，研究提出了运用功函、d带活性、Bader电荷等DFT计算数据预分析了异质结构构建与钴掺杂对电子结构的影响，为高效催化剂的设计合成提供指导。 随后，基于两步溶剂热法在泡沫镍上成功构筑了蘑菇状的钴掺杂FeNi2S4/硫化镍（Co-FeNi2S4/Ni3S2/NF）。受益于组分及结构等优势，Co-FeNi2S4/Ni3S2在10 mA cm-2时的析氢反应（HER）过电位为133 mV，在50 mA cm-2时的析氧反应（OER）过电位为261 mV，展现出优于FeNi2S4/Ni3S2/NF及Ni3S2/NF的电化学性能。同时，Co-FeNi2S4/Ni3S2/NF在电流密度为100 mA cm−2时可稳定工作150 h，在HER、OER、全解水条件下稳定性仅分别降低0.6%、0.8%、1.3%，表明Co-FeNi2S4/Ni3S2/NF是一种可靠的双功能电催化剂。上述这些发现证实了掺杂与异质工程是提升催化剂催化活性的可行策略。

2 图文导读

图1、 DFT计算预分析催化剂可行性数据

图2 、Co-FeNi2S4/Ni3S2/NF的合成方案（a），Co-NiFe-LDH（b）和Co-FeNi2S4/Ni3S2/NF（c）的SEM图像，Co-FeNi2S4/Ni3S2/NF的TEM、HRTEM、EDS光谱及元素分布图（d-k）。

图3、多种催化剂的XRD谱图（a）及Co-FeNi2S4/Ni3S2/NF的XPS光谱

图4、催化剂的电化学性能

图5 、催化剂的原位拉曼光谱及DFT计算结果

3 小结

综上所述，DFT计算结果表明同时引入钴异质原子及构建异质结构可协同调整电子分布，使Co-FeNi2S4/Ni3S2表现出优于Ni3S2、FeNi2S4和Co-FeNi2S4的催化动力学。当Co-FeNi2S4/Ni3S2作为整体水分解催化剂时，在10 mA cm-2下的电压可达1.58 V，优于大部分硫化物基催化剂的水分解性能。更为重要的是，Co-FeNi2S4/Ni3S2在100 mA cm-2时可稳定工作150 h，表现出了优异的HER、OER及水分解稳定性。出色的性能可归因于钴异质原子的引入及异质结构的构建，协同优化了催化剂结构和电子构型，界面处活性位点及表面重构后的Co-Ni/Fe (oxy)hydroxides分别是HER、OER的主要活性中心，最终降低了ΔGH*及水分解能垒。DFT计算结合实验揭示了Co-FeNi2S4/Ni3S2是一种高效的双功能催化剂，这为高效、可靠HER/OER催化剂的设计提供了新思路，进一步促进了非贵金属基双功能催化剂用于电催化水分解的发展。

文献：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.4c04422