FeP/4-修饰Ni/2P纳米片作为高效且稳定的电催化剂，用于氧气析出反应

通过水热法结合后续磷酸处理制备了FeP4调节的Ni2P纳米片异质结构催化剂，其在氧析出反应中表现出低过电位（206 mV@100 mA/cm2）和高稳定性（>1000小时），且整体水分解电压仅为1.709 V，适用于高效可持续的氢能生产

　　

胡洪明|彭振尧|张光润|朱伟|赵家乐|唐晓|周先菊|李艳红

重庆邮电大学电子科学与工程学院，中国重庆400065

摘要

为了推进可持续能源技术的发展，开发高性能、低成本且耐用的整体水分解电催化剂至关重要。在本文中，通过水热法结合后续的磷酸化处理，精心制备了FeP₄修饰的Ni₂P纳米片异质结构（P-Ni₅Fe）。在氧气演化过程中，这种制备的电催化剂表现出优异的催化活性，在仅206 mV的过电势下实现了100 mA cm^?2的电流密度。该催化剂在100 mA cm^{?2₅Fe||P-Ni₅Fe电解槽在1.522 V的较低电池电压下实现了10 mA cm?2?2}

引言

随着全球能源短缺和环境的恶化，对可持续、清洁能源的追求引起了广泛关注。氢气因其较高的重力能量密度以及在燃烧时不会产生碳排放而被广泛认为是替代化石燃料的有吸引力的能源[1]、[2]。如今，电化学水分解作为一种环保的氢气生产方法备受青睐，它可以利用间歇性的太阳能和风能产生的电力来生产氢气[3]、[4]、[5]。然而，由于氧气演化反应（OER）在阳极上的动力学过程较慢，这一过程的效率受到显著限制，从而导致较高的过电势[6]。目前，铂和铱氧化物等贵金属催化剂是水分解的基准催化剂。然而，由于成本高昂和供应有限，它们的广泛应用受到限制。因此，当前的研究主要集中在设计和合成来自非贵金属的有效催化剂上，这些非贵金属既丰富又易于获取[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。

设计高效的非贵金属催化剂是实现其工业化的关键[13]，合理调控催化剂的结构和电子性质可以有效提高水分解的催化活性和稳定性[14]。在各种候选材料中，过渡金属磷化物（TMPs）因其类金属特性、优异的导电性以及调节反应中间体吸附能量的能力而成为有前景的材料[15]、[16]、[17]。磷作为一种电负性高于大多数金属的元素，会使得电子密度从金属中心转移，从而产生有利于OER催化的带正电的金属位点。同时，在阳极电位下原位形成的磷酸盐物种还能提供对抗氯离子（Cl^?）腐蚀的保护层[18]，提高长期稳定性，并使得海水可用于清洁能源生产，从而缓解淡水短缺的压力。尽管有这些优点，单金属TMPs的性能往往仍不理想。为了解决这个问题，引入第二种金属材料构建异质结构已被证明是一种有效的解决方案。异质界面处的电子相互作用有助于优化局部电子结构，从而增强内在的催化活性。此外，不同材料之间的协同效应可以提高催化性能。例如，郭等人报道的Ni₂P@NiMoO₄/NF电催化剂在500和1000 mA cm^{?2₄2?/PO₄3?物种的原位形成。类似地，傅等人证明自支撑的Ni₃P-Cu₃P/CF异质结构在1.6 V的参考电极下实现了300 mA cm?2₃P的吸电性质促进了高价态Ni物种的形成。}

尽管已经取得了相当大的进展，但合理设计和合成兼具增强活性、出色长期稳定性和高效整体水分解能力的双功能TMP基电催化剂仍然是一个紧迫而艰巨的挑战。到目前为止，只有少数双功能电催化剂的性能可与耦合的Pt-IrO_x电解槽相媲美。这些电解槽通常需要在10或20 mA cm^?2?2

在这里，我们展示了使用可控的水热法和随后的磷酸化过程，在镍泡沫基底上成功构建了FeP₄修饰的Ni₂P纳米片阵列（P-Ni₅Fe）。这种设计的架构具有多重优势：首先，形成的异质界面有利于电子调制，从而提高了内在的催化活性；其次，纳米片状结构提供了较大的电化学活性表面积和丰富的活性位点；此外，多孔的3D NF基底确保了高效的质量传输和快速的气泡释放。因此，优化的P-Ni₅Fe催化剂表现出优异的催化活性，在仅206 mV的过电势下实现了100 mA cm^{?2?2₅Fe||P-Ni₅Fe电解槽在1.709 V的电池电压下即可达到100 mA cm?2?2}

材料与化学品

所有化学品均为分析级，按收到时的状态使用。六水合氯化镍（NiCl₂·6H₂O，AR，99%）、三氯化铁（FeCl₃，CP）、尿素（CH₄N₂O，AR）、一水合亚磷酸氢钠（NaH₂PO₂·H₂O，98%）、氢氧化钾（KOH，AR）和氧化钌（RuO₂，AR）均购自上海麦克林生化科技有限公司。商用镍泡沫（厚度：2 mm；孔隙率：95%）由昆山百意达新材料有限公司提供。乙醇由天津志远提供

形态与结构表征

目标催化剂的合成路线如图1所示。前驱体首先通过简单的水热反应固定在镍泡沫（NF）上，随后通过可控的磷酸化过程转化为最终的P-Ni₅Fe。XRD测量用于表征制备出的催化剂的晶体结构。如图2a和图S1所示，44.6°、51.9°和76.4°的衍射峰来源于NF基底（JCPDS编号）。

结论

总之，我们通过简单的两步方法成功制备了支撑在镍泡沫上的FeP₄修饰的Ni₂P纳米片阵列。优化的催化剂（P-Ni₅Fe：Ni/Fe = 5:1）利用了3D导电基底、高表面积纳米片形态以及Ni₂P/FeP₄异质界面的协同作用。因此，它表现出优异的OER活性，在10 mA cm^?2?2

CRediT作者贡献声明

胡洪明：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、数据管理。彭振尧：方法论、研究。张光润：正式分析。朱伟：概念构思。赵家乐：研究。唐晓：方法论、资金获取。周先菊：项目管理、资金获取。李艳红：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、资金获取、正式分析。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：李艳红报告称获得了重庆市自然科学基金的财政支持；唐晓报告称获得了重庆市教育委员会科学技术研究计划的财政支持；周先菊报告称获得了重庆市教育委员会科学技术研究计划的财政支持

致谢

本工作得到了重庆市自然科学基金（CSTB2023NSCQ-MSX0002）、重庆市教育委员会科学技术研究计划（KJZD-K202200605）和重庆市教育委员会科学技术研究计划（CSTB2024NSCQ-LZX0030）的支持。