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ACS Nano: 构建非晶/晶态NiFe(OH)x-Ni3S2阵列,增强PEC全水分解

电催化水分解制氢是一种可持续的大规模制氢方法,它能够有效缓解化石燃料危机和环境问题。贵金属材料,如Pt和Ir/Ru氧化物(RuO2或IrO2),被认为是HER和OER的基准催化剂。


然而,贵金属材料的稀缺性和高昂的价格限制了它们的大规模使用。因此,需要人们设计并制备出高效且具有成本效益和持久的非贵金属双功能电催化剂。
近日,云南大学胡广志陈安然卡迪夫大学Huang Xiaoyang于默奥大学Thomas Wågberg等通过阳离子交换诱导表面重构策略,成功制备出具有双异质结构(Ni3S2-Ni(OH)2和晶体-非晶体)的电催化剂(NiFe(OH)x-Ni3S2/NF)。
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所制备的NiFe(OH)x-Ni3S2/NF催化剂表现出优异的双功能电催化活性,其在电流密度为10 mA cm-2和100 mA cm-2下的HER过电位分别为55 mV和116 mV,OER过电位分别为182 mV和208 mV。
此外,以NiFe(OH)x-Ni3S2/NF为电极所构建的双电极碱性电解槽只需要1.48、1.58和1.74 V的超低电池电压即可分别达到10、100和500 mA cm-2的电流密度,并且具有超过200小时的优良耐久性。
在工业条件下,该双电极系统仅需要1.55 V和1.62 V的超低电压就能分别达到500 mA cm-2和1000 mA cm-2的工业电流密度。
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实验结果和理论计算表明,NiFe(OH)x-Ni3S2/NF中的Ni位点是真正的HER活性中心,因为其具有最佳的H吸附/解吸性能;层状异质结增加了Fe和Ni催化中心的电子离域,降低了限速步骤的能垒,促进了O2的解吸,提升了催化剂的OER活性。
因此,晶态Ni3S2-Ni(OH)2异质界面是提高材料性能的关键,而优异的OER活性与非晶态NiFe(OH)x层有关。
综上,这项工作为设计和开发用于大规模清洁能量转换应用的高性能异质结构电催化剂提供了有效的策略。
Interface Engineering on Amorphous/Crystalline Hydroxides/Sulfides Heterostructure Nanoarrays for Enhanced Solar Water Splitting. ACS Nano, 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c09880




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