ACS Sustainable Chem. Eng.：用于促进全水解的Ni-W-P@纤维布柔性电极材料的扩大制备

钢铁侠 8个月前 (10-23) 1406浏览

一、 【导读】

电解水制氢是一种绿色可持续的制氢技术，电解水反应包括阴极的析氢反应和阳极的析氧反应。虽然如Pt、Ru、Ir等贵金属具有优良的催化活性，但价格昂贵、储量少，限制了其作为电催化剂的广泛应用。探索高性能、低成本的电催化剂制氢成为研究重点。研究表明，在电催化剂中构建两种及以上的过渡金属，引入非金属磷、氮、硫等杂原子，可调节晶格参数、电子密度，影响吸附能，显著提高材料整体的催化活性。过渡金属磷化物具有与氢化酶活性位点相似的化学模拟物，可实现从金属到磷的电子转移。作为活性位点的阴离子磷原子可增强质子放电过程。常见的催化剂基底因其柔韧性较差，阻碍了其在特殊环境中的应用。柔性亲水纤维布（HFC）因其低成本、高柔性、大比表面积、强耐腐蚀性，受到了越来越多关注。HFC为基底的自支撑电极不需要额外粘合剂，降低了界面阻力，暴露了大量活性位点，提高了结构稳定性。因此这为研发高效、廉价、稳定的全解水催化材料提供了新思路，在电解水制氢领域具有良好的应用前景。

二、【成果掠影】

近日，青岛大学惠彬特聘教授团队采用化学镀法合成了用于HER 和OER的Ni-W-P@HFC柔性电极。相互连接的纤维有助于形成良好的导电网络和连续的电子传输路径。得益于纤维结构的调节和掺杂控制，所制备的Ni-W-P@HFC电极具有快速的电子传递能力和大量的活性位点，具有优异的双功能活性和长期稳定性。DFT计算表明，在Ni-P合金中引入W原子可诱导电子密度的重新分布，优化中间产物的吸附能，降低能垒。这项研究提出了一种柔性高活性和耐用的水分解电极，有助于清洁能源系统的发展。相关的研究成果以"Scale-up Preparation of Flexible Ni-W-P@Fiber Cloth Electrode for Boosting Overall Water Electrosplitting"为题发表在ACS Sustainable Chem. Eng.上。论文第一作者为李腾。

三、【核心创新点】

提出利用纤维布负载Ni-W-P合金，通过简单的化学镀法在Ni-P合金中掺杂W原子，实现了柔性Ni-W-P@HFC电极的扩大制备。制备的电极具有优异的双功能活性和长期稳定性，DFT计算揭示了在Ni-P合金中引入W降低了反应能垒。

四、【数据概览】

图1 (a) Ni-W-P@HFC的合成示意图；(b和c) HFC的SEM图像；(d-g）Ni-W-P@HFC的SEM图像；(h) Ni-W-P@HFC中Ni、W 和 P元素的能谱图。

图2 (a) HFC和Ni-W-P@HFC的XRD图谱；(b和c）Ni-W-P@HFC的TEM图；Ni-W-P@HFC的(d) Ni 2p、(e) P 2p、(f) W 4f、(g) O 1s和(h) C 1s的XPS光谱；(i) Ni-W-P和Ni-P的ICP结果。

图3 Ni-W-P@HFC电极在1 M KOH中的HER性能：(a) LSV曲线；（b）Tafel图；(c)EIS Nyquist图。1 M KOH 中Ni-W-P@HFC电极的OER性能：(d)LSV曲线；(e)Tafel图；(f)EIS Nyquist图；(g) Ni-W-P@HFC的Cdl；(h) HER和 (i) OER时Ni-W-P@HFC的稳定性。

图4 (a)使用相同的Ni-W-P@HFC分别作为阴极和阳极的电解槽示意图；(b) Ni-W-P@HFC//Ni-W-P@HFC在1 M KOH中的整体水电解性能；(c)电解槽在1 M KOH 中100和200 mA cm-2的稳定性测试；(d)大尺寸柔性Ni-W-P@HFC电极的制备；(e）Ni-W-P@HFC的表面电阻；(f)具有良好导电性的Ni-W-P@HFC照片；(g)太阳能电池板驱动水分解照片。

图5 (a) Ni-P和Ni-W-P裸露（111）面上HER过程的吉布斯自由能台阶图；(b) 在Ni-P 和Ni-W-P上H2O生成H2的不同中间产物；(c) Ni-P和Ni-W-P暴露（111）面上OER过程的吉布斯自由能台阶图；(d) 在Ni-P和Ni-W-P上H2O生成O2的不同中间产物；W、Ni、P、O 和 H 原子分别用蓝色、橙色、紫色、红色和灰色球体表示。

图6 (a) Ni-W-P样品的差分电荷密度分布图。黄色代表电荷积累，青色代表空间电荷耗尽；(b) 差分电荷密度分布图的切面图；(c) Ni-P中Ni原子和P原子的态密度；(d) Ni-W-P 中Ni原子、P原子和W原子的态密度。

五、【成果启示】

综上所述，提出采用简单的化学镀法在HFC上原位生长Ni-W-P合金，相互连接的纤维有助于形成良好的导电网络和连续的电子传输路径。这种基于柔性纤维布的电极具有高导电性和优异的活性，在碱性电解液中大大提高了HER和 OER性能。HFC衍生的自支撑电极不需要额外的粘合剂，降低了界面阻力，暴露出大量活性位点。DFT计算表明，Ni-P合金中掺杂的W原子导致电子密度重新分布，优化了中间产物的吸附能，降低了能垒，促进了水分子的裂解。Ni-W-P@HFC柔性电极的规模化制备和太阳能驱动的整体水分解预示着广阔的发展前景。

原文详情：Li, Teng, et al. Scale-Up Preparation of Flexible Ni–W–P@ Fiber Cloth Electrode for Boosting Overall Water Electrosplitting.ACS Sustainable Chem. Eng.2023, 11, 14549−14558.

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c03931

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