《Fuel》：Interfacial engineering of a Ni
2P@Fe
2P/NF heterostructure for overall water splitting
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该工作通过水热与气相磷化法制备了具有分级结构的Ni?P@Fe?P/NF双功能电极，显著提升了析氢与析氧反应活性，在100 mA cm?2电流密度下过电位分别为168 mV和260 mV，且整体水裂解系统电压低至1.77 V并保持100小时稳定性。
洪旭|杨润东|苏忠强|张静|杨静茹|林静|戴志峰
中国浙江省科学技术大学化学与化学工程学院，浙江省聚合物材料表面与界面科学重点实验室，杭州310018
摘要
电催化水分解是生产氢气（H?）和氧气（O?）最具前景的方法之一，开发具有成本效益和高性能的电催化剂至关重要。在这项研究中，通过顺序水热和气相磷化处理，在多孔镍泡沫（NF）基底上制备了一种具有层次结构的双功能电极，记为Ni?P@Fe?P/NF。由于引入了磷元素，优化了结合能并增加了活性位点的密度，所得到的Ni?P和Fe?P异质结构有效促进了氢气析出反应（HER）和氧气析出反应（OER）。层次结构还通过提供较大的比表面积来进一步提高催化性能。结果，Ni?P@Fe?P/NF电极在实现100 mA cm?2的电流密度时，HER所需的过电位仅为168 mV，OER所需的过电位为260 mV。此外，该电极表现出显著的稳定性，HER性能可维持超过100小时。Ni?P@Fe?P/NF的HER和OER性能超过了迄今为止报道的大多数基于Ni和Fe的催化剂。当作为两电极整体水分解系统中的正极和负极使用时，该电极组件仅需1.77 V的电池电压即可提供100 mA cm?2的电流密度，并且能够稳定运行100小时。这项研究为通过诱导p-d杂化来增强低成本Ni和Fe基电催化剂的催化活性提供了一条可行的途径，从而推动了电催化水分解技术的实际应用。
引言
对传统化石燃料的过度依赖导致了严重的能源危机和环境污染，引发了人们对全球能源发展可持续性的广泛担忧。[1] 为应对这些挑战，迫切需要开发可再生和清洁的能源替代品，其中氢气被视为一个有前景的候选者。[2] 作为可持续能源系统中的关键能源载体，氢气具有较高的比能量密度、易于运输、可回收性以及近乎无限的可用性。[3] 这些优势使氢气成为理想的绿色能源介质，其在大规模应用方面具有巨大的潜力，得到了学术界和工业界的认可。
电催化水分解可以产生氢气和氧气，包括两个半反应：氢气析出反应（HER）和氧气析出反应（OER）。在电场的作用下，水分子分解成H?和O?。[4],[5] 尽管基于Pt的催化剂在HER方面表现出优异的性能，而基于Ru/Ir的材料在OER方面具有很高的活性，[6],[7] 但由于它们的稀缺性和高成本，其广泛应用受到了限制。[8],[9] 这一限制促使人们研究和合成高性能、低成本的电催化剂，[10],[11] 旨在减少对贵金属的依赖并推进水分解技术的工业化应用。[12],[13]
近年来，基于过渡金属的催化剂因其经济性、天然丰度、高催化活性和可调的电子结构而受到了广泛关注。[14],[15],[16] 它们对氢中间体（H*）的强吸附能力和显著的HER性能使其成为有前途的替代品。[17],[18] 特别是，地球上丰富的Ni和Fe基材料已被广泛研究作为电催化剂。[19],[20] 例如，NiFe层状双氢氧化物（LDHs）易于合成，并表现出优异的OER活性。[21] 然而，它们较差的HER性能限制了其在整体水分解中的应用。
在这项工作中，为了提高Ni–Fe异质结构的HER性能并开发用于全水分解的双功能催化剂，采用了结合水热和气相磷化的混合合成策略来制备Ni?P@Fe?P/NF电极。首先，在镍泡沫（NF）上生长NiFe LDH前驱体，然后通过与NaH?PO?的气固反应将其转化为高导电性的Ni?P和Fe?P磷化物。所得到的磷化物具有增强的电导率，这促进了电极-电解质界面的电子传输，降低了欧姆电阻，并降低了反应过电位。此外，催化剂内部的丰富异质界面增强了其在HER和OER方面的双功能活性。Ni?P@Fe?P/NF电极在100 mA cm?2的电流密度下，HER的过电位为168 mV，OER的过电位为260 mV。基于这种有前景的性能，使用Ni?P@Fe?P/NF作为正负极的对称电解槽在1.77 V的电池电压下实现了100 mA cm?2的电流密度，并且可以稳定运行超过100小时。这项研究展示了一种可行的异质界面工程策略，用于合理设计高效且耐用的双功能催化剂。
实验部分
NF的制备
首先，将一块镍泡沫（NF，1 × 2 cm2）浸入1 M HCl溶液中30分钟以去除表面氧化层，然后用去离子水和乙醇多次彻底冲洗。实验中使用的镍泡沫孔径为0.2–0.6 mm，厚度为1.5 mm。
Ni?P/NF电极的制备
Ni?P/NF电极是通过水热方法制备的。在典型的制备过程中，将1.5 g的Ni(NO?)?·6H?O、1.5 g的尿素和1 g的NH?F溶解在50 mL的去离子水中。
电催化剂的合成与表征
如图1a所示，Ni?P@Fe?P/NF催化剂是通过首先通过水热方法合成NiFe LDH/NF，然后进行进一步的气相沉积磷化处理获得的[22]。如图1b的XRD光谱所示，所得到的Ni?P@Fe?P/NF显示出Ni?P（JCPDS 03–0953）、Fe?P（JCPDS 51–0943）和NF（JCPDS 40–0850）的特征峰，而NiFe LDH/NF和NF分别显示出NiFe LDH（JCPDS 40–0215）和NF（JCPDS 40–0850）的标准峰，表明
结论
总之，通过磷化NiFe LDH/NF获得了双功能Ni?P@Fe?P/NF异质结催化剂，这种双功能催化剂在水电解中表现出优异的整体性能。实验结果表明，Ni?P@Fe?P/NF异质结构在碱性环境中表现更为优越。该材料具有丰富的异质界面，有效地暴露了其表面大量的活性位点，从而加速了HER和OER的催化反应动力学。
CRediT作者贡献声明
洪旭：撰写 – 原始草稿，实验研究。
杨润东：方法学，数据分析。
苏忠强：验证，方法学。
张静：方法学，数据分析。
杨静茹：软件开发，方法学。
林静：撰写 – 审稿与编辑，可视化。
戴志峰：撰写 – 审稿与编辑，项目监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：22472152）和浙江省自然科学基金（编号：LY22B030006）的支持。
