本刊推荐 | 醇盐自模板法构筑碳封装NiFeV基析氧催化剂

醇盐自模板法构筑碳封装NiFeV基电催化剂用于析氧反应

马恩辉1,刘旭坡2*,申涛1,王得丽1*

（1. 华中科技大学 化学与化工学院， 2. 河南师范大学 材料科学与工程学院）

作者导读

此工作通过V掺杂和碳封装策略，为提升NiFe基催化剂的析氧反应性能提供指导。

01 全文速览

本研究以NiFeV固态金属醇盐为前驱体，采用醇盐自模板法制备碳封装NiFeV基催化剂。研究结果表明，NiFeV基催化剂呈现出均匀的球状结构，用于电解水析氧反应电催化剂时，仅需381 mV的过电位即可获得20 mA·cm-2电流密度。NiFeV基催化剂具有良好的催化活性和稳定性，这主要得益于均匀的球状结构、V对电子结构的优化调控以及封装碳层对金属颗粒的保护作用。

02 背景介绍

开发高效、清洁的可再生能源对于缓解日益严重的环境污染至关重要。氢气作为一种清洁、无污染的燃料，受到广泛关注。电解水制氢具有产物纯度高、反应条件温和等特点，对于解决能源危机和环境问题具有重要意义。为了降低电解水析氧反应过程中的过电位，减少电能消耗，就需要开发高效的析氧反应催化剂。

03 本文亮点

金属醇盐是一类制备碳封装催化剂的优良前驱体材料，具有无机与有机材料的双重特性，组成和结构可控，热解能够实现有效碳封装。本研究以固态金属醇盐为前驱体模板，利用高温裂解实现金属纳米颗粒的碳封装，以提高NiFeV基催化剂的活性和稳定性。

04 图文解析

图1  NiFeV基催化剂的设计思路图

图1为NiFeV基催化剂设计思路示意图，采用溶剂热法处理Ni(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O和NH4VO3金属盐和甘油，在异丙醇体系中合成出固态金属醇盐。经过洗涤和干燥处理后，在氩气气氛下高温煅烧，有机组分发生裂解碳化，从而实现对于金属颗粒的封装。电化学测试研究表明，催化剂的析氧反应活性和稳定性得到了显著提升。

图2 (a) 在700 ℃煅烧所得的不同元素配比样品的XRD图谱（底部绿线为金属间化合物Ni3Fe：Ref.01-088-1715的标准图谱），(b) 不同煅烧温度所得Ni10Fe5V样品的XRD图谱，(c) 催化剂Ni10Fe5V-700的SEM图片，(d) 在700 ℃煅烧所得不同元素比例样品的 LSV曲线，(e) 不同煅烧温度处理样品Ni10Fe5V的LSV曲线，(f) 催化剂Ni10Fe5V-700的计时电流曲线。

图2 (a)分别为600、700和800 ℃下煅烧所得样品（Ni:Fe:V = 10:5:1）的XRD图谱。从图中可知，催化剂的XRD图谱与金属间化合物Ni3Fe：Ref.01-088-1715的特征峰位置一致，均表现出面心立方（fcc）结构。图1 (a)中没有出现V以及其氧化物的衍射峰，说明V原子成功进入Ni3Fe晶格。此外，催化剂Ni10Fe5V-700的衍射峰向高角度偏移，相比于其他样品具有明显的晶格收缩，说明了此样品在经过700 ℃煅烧处理后具有较高合金化程度。图2 (b)为不同元素配比样品在700 ℃煅烧得到的XRD图谱，样品均具有Ni3Fe金属间化合物的面心立方结构。然而，催化剂Ni6FeV-700衍射峰强度较低且无序，与其他样品有较大差异，说明了该样品的结晶性较差，并没有形成有序金属间化合物。而催化剂Ni10Fe5V-700向高角度偏移较为明显，说明此元素配比下样品的晶格收缩明显，合金度较高，该合金结构有助于催化剂的电子结构优化，从而提升催化剂的OER 性能。电镜分析（图2 (c)）表明，催化剂Ni10Fe5V-700呈现出均匀的球状结构，该形貌结构有助于催化剂活性位点的暴露，从而获得高电催化活性。

图2 (d)为不同元素比例所得样品的LSV曲线图。对比可知，在20 mA cm-2的电流密度时，催化剂Ni10Fe5V-700具有最小的析氧反应过电位（381 mV），同时具有最小的Tafel斜率（191.8 mV dec-1），该结果表明其具有良好的析氧反应活性和较快的析氧反应动力学。图2 (e)为不同煅烧温度处理样品Ni10Fe5V的LSV曲线，600 ℃和700 ℃下所得样品的曲线重合度较高，过电位数值较为接近，且都优于800 ℃和900 ℃下所得样品；但当电势逐渐增大时，700 ℃样品要优于600 ℃，且催化剂Ni10Fe5V-700的Tafel斜率更小，具有更快的动力学，由此可以确定700 ℃为最佳煅烧温度。由10 mA·cm-2电流密度下测定的计时电流曲线（图2 (f)）可知，经过10000 s测试后，Ni10Fe5V-700的电流密度衰减程度较小，表现出良好的析氧反应稳定性。而析氧反应稳定性与形成的封装碳层密切相关，说明在700 ℃的煅烧温度下所形成的封装碳层能够有效防止金属颗粒在碱性溶液中被刻蚀掉，从而使得催化剂在长期运行时具有良好稳定性。以上实验结果与物理表征结果一致，以固态金属醇盐作为前驱体模板，利用高温裂解构筑催化剂的碳封装，能够提高NiFeV基催化剂的析氧反应活性和稳定性。

05 总结与展望

总结：本研究通过醇盐自模板法构筑高效碳封装NiFeV基催化剂，利用固态金属醇盐中有机组分的高温裂解获得封装碳层，从而优化催化剂的电催化活性和稳定性。经过V掺杂和煅烧温度调控，优化的催化剂粒径较小且分布均匀，实现了有效碳封装。所得催化剂表现出优异的电催化析氧反应活性和运行稳定性，在电化学测试中仅需381 mV过电位即可获得20 mA·cm-2的电流密度，其Tafel斜率为191.8 mV·dec-1；催化剂经过10000 s稳定性测试后仍保持较高的电流密度。NiFeV基催化剂表现出良好的催化性能，可归因于以下因素：（1）催化剂金属颗粒粒径细小且均匀，可以促使更多活性位点暴露；（2）V掺杂有利于增强NiFe催化剂结晶性和合金度以及电子结构优化；（3）封装碳层的保护使得催化剂在长期运行时具有优异稳定性。

展望：本文通过元素以及煅烧温度的调控，研究V掺杂和煅烧温度与析氧反应性能之间的构效关系，但也存在着元素配比不够合理、煅烧温度跨度过大、采样少等问题，需要加以完善和补充。此外，合成的催化剂仍可采取磷化、硼化等策略进行优化，以进一步提升其催化析氧反应性能。

06 通讯作者简介

王得丽，华中科技大学教授，博士生导师。2008年博士毕业于武汉大学，师从庄林教授，博士毕业后先后在新加坡南洋理工大学和美国康奈尔大学从事博士后研究。2013年初入职华中科技大学，获中组部海外高层次人才计划、教育部“新世纪优秀人才计划”、湖北省“化学化工青年创新奖”、中国表面工程协会“中表镀-安美特青年教师奖”。主要研究方向为新型电化学能源与环境材料的设计以及性能优化。迄今为止，在国内外知名学术期刊上发表论文100余篇，主要包括Nat. Mater.，Nat. commun.，J. Am. Chem. Soc.，获授权中国发明专利6项，美国授权发明专利2项。担任《中国化学快报》青年编委，《储能科学与技术》、《电化学》、《Nano Materials Science》、《Energy & Fuels》、《J. Phys Energy》杂志编委。

课题组网站：

http://deli.chem.hust.edu.cn/info/1012/1103.htm

07 关于本文

引用格式：

马恩辉, 刘旭坡, 申涛, 王得丽. 醇盐自模板法构筑碳封装NiFeV基电催化剂用于析氧反应[J]. 电化学, doi: 10.13208/j.electrochem.211103.

En-Hui Ma, Xu-Po Liu, Tao Shen, De-Li Wang. Constructing Carbon-encapsulated NiFeV-based Electrocatalysts by Alkoxide-based Self-template Method for Oxygen Evolution Reaction[J]. Journal of Electrochemistry, doi: 10.13208/j.electrochem.211103.

DOI：10.13208/j.electrochem.211103

http://electrochem.xmu.edu.cn/CN/10.13208/j.electrochem.211103

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