在“碳达峰”和“碳中和”战略目标中，氢能源，特别是电解水制备“绿氢”受到了越来越多的关注。在电解水反应中，动力学较慢的阳极析氧反应(OER)是限制电解水产氢效率的关键步骤。NiFe氢氧化物电催化材料被认为是最具应用潜力的高效、廉价碱性OER电催化剂之一。近年来相关研究工作表明，引入第三种过渡金属(如Co、Cr、Al、Mo、W等)是一种有效的提升NiFe氢氧化物OER性能的策略。
近日，四川大学高分子科学与工程学院程冲研究员、李爽研究员及赵长生教授合作研究团队报道了一种新型界面原子替代策略制备V原子掺杂的NiFeV纳米纤维用于高效碱性OER电催化。研究发现，相对于传统的一锅法加入V原子，V的界面原子替代生长，可以最大化V原子对Fe、Ni原子价态的提升作用，增加高价Fe原子比例，从而极大地增强NiFeV材料的OER电催化反应动力学，降低反应过电位，最终实现电解水性能的提升。
电子结构分析表明，相对于“V原子一锅法”产物(NiFeV)，界面V原子替代生长法的产物(NiFeV nanofibers)能更加有效的降低V结合能，NiFe结合能升高，NiFe (特别是Fe)向V的电荷转移使得催化剂中Fe处于高价态（＞3+），说明界面V原子替代生长法更有利于NiFe活性位点价态调控。 因此，相对于“一锅法”制备NiFeV氢氧化物，该界面V原子替代生长法制备的NiFeV 纳米纤维电催化剂在OER电催化中展现出更加优异的催化活性，达到10 mA/cm2电流密度所需要的过电位仅为263 mV，明显优于一锅法合成的NiFeV材料（337 mV）。特别是当催化剂负载在碳布表面，其催化性能可以进一步提升，过电位仅为181 mV （10 mA cm−2），在100 mA cm−2 的大电流条件下可持续稳定工作20小时以上。 组装的简易电解水器件中，界面V原子替代的NiFeV 纳米纤维电催化剂展现出超越商业贵金属RuO2催化剂的电解水性能，也优于目前大部分文献报道的非贵金属电解水催化体系。器件在1.5 V AA电池的驱动下，可以实现稳定持续的氢气产出。 论文信息： Interfacial Atom-Substitution Engineered Transition-Metal Hydroxide Nanofibers with High-Valence Fe for Efficient Electrochemical Water Oxidation Ben Zhang,Zihe Wu,Wenjie Shao,Yun Gao,Weiwen Wang,Tian Ma,Lang Ma,Shuang Li,Chong Cheng,Changsheng Zhao 文章的第一作者是四川大学的硕士研究生张奔。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202115331
