孔清泉教授、唐成武教授、孙旭平教授，JMCA：高效碱性海水分解：以镍铁硫化物纳米片阵列作为双功能电催化剂

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文章信息

高效全碱性海水分解：以镍铁硫化物纳米片阵列作为双功能电催化剂

第一作者：陈杰

通讯作者：孔清泉*，唐成武*，孙旭平*

单位：成都大学，湖州大学第一附属医院，山东师范大学

研究背景

氢气，作为化石燃料的碳中性能源载体，是未来能源应用的理想选择。电解水制氢是目前研究的制氢技术中一种有前景的绿色制氢方法。然而，全球淡水资源匮乏阻碍了电解淡水制氢技术的广泛应用。因此，迫切需要开发能够直接用于海水电解的高效催化剂。但海水电解的广泛应用面临着严峻的挑战，包括在较大过电位下阳极析氯反应(CER)的发生，导致OER过程的法拉第效率降低。

另外，由于Cl-腐蚀和电极上不溶性沉淀物(Ca(OH)₂和Mg(OH)₂)的沉积，也会发生催化剂中毒和催化活性降低的问题。基于上述，开发高活性、长期稳定性的催化剂对海水电解至关重要。镍铁层状双氢氧化物（NiFe-LDH）在碱性OER中表现出良好的活性，然而NiFe-LDH的导电性和耐腐蚀性较差。镍铁硫化物由于其优异的电化学导电性和本征活性，被认为是提高NiFe-LDH催化活性的一种有前途的策略。

文章简介

基于此，电子科技大学的孙旭平教授课题组与成都大学的孔清泉教授、湖州大学第一附属医院的唐成武教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“High-efficiency overall alkaline seawater splitting: using nickel-iron sulfide nanosheet array as a bifunctional electrocatalyst”的研究工作。该工作通过水热-离子交换步骤制备出高效、双功能的碱性海水电解NiFeS/NF催化剂。

图1. TOC摘要。

本文要点

要点一：NiFeS/NF催化剂的构筑和物理表征

通过原位水热生长、离子交换步骤在泡沫镍上制得镍铁硫化物纳米片阵列（NiFeS/NF）。通过XRD、SEM、TEM、XPS等表征技术对NiFeS/NF进行了详细的表征（详见原位，这里不在赘述）。

图2. NiFeS/NF催化剂的合成示意图以及结构、形貌表征。

要点二：电催化OER性能评估

在碱性海水电解液中，NiFeS/NF表现出优异的OER活性，达到500 mA cm^-2电流密度仅需300 mV的过电位，优于图3f中报道的所有用于海水电解的OER催化剂。稳定性是判断电催化剂的另一个重要标准。NiFeS/NF在碱性海水电解液中，分别以100和500 mA cm^-2的电流密度进行了24 h耐久性测试，过电位几乎无增加，说明NiFeS/NF具有高度的电化学稳定性（图3h）。值得注意的是，通过有效氯检测试纸实验证实了NiFeS/NF在OER过程中没有氯化物的产生，拥有优异的抗氯氧化性能。

图3. NiFeS/NF催化剂的OER性能。

要点三：电催化HER性能评估

该NiFeS/NF在碱性海水电解液中仅需347 mV的过电位就可使电流密度达到-500 mA cm^-2显著优于文献报道值（图4e）。图4g表明NiFeS/NF具有优异HER稳定性。另外DFT计算揭示了HER过程在NiFeS的内在机理。

图4. NiFeS/NF催化剂的HER性能及DFT计算。

要点四：全解碱性海水的性能评估

考虑到NiFeS/NF优异的OER和HER性能，使用NiFeS/NF作为阳极和阴极的自组装电解槽来探索全面海水电解过程。在碱性海水电解液中，NiFeS/NF自组装的电解槽仅需1.67 V和1.85 V，就能提供100 mA和500 mA cm^-2的电流密度，优于大多数已报道的用于海水电解的双功能电催化剂(图5c)。连续两步计时电位实验发现该电解槽可以实现在100和500 mA cm^-2的电流密度下长达50 h 的稳定运行，证实了电解槽全解海水的长期稳定性(图5e)。

图5. NiFeS/NF催化剂全解水的性能。

文章链接

High-efficiency overall alkaline seawater splitting: using nickel-iron sulfide nanosheet array as a bifunctional electrocatalyst

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d2ta08568b

课题组介绍

孙旭平，博士，教授，博士生导师，电子科技大学基础与前沿研究院。2006年毕业于中国科学院长春应用化学研究所，获博士学位。

2006-2009年期间先后在康斯坦茨大学、多伦多大学和普渡大学从事博士后研究工作，2010年1月加入长春应化所，2015年11月全职到四川大学工作，2018年4月加入电子科技大学。获中科院院长优秀奖（2004）、中科院优秀博士学位论文（2007）、全国百篇优秀博士学位论文（2008）、中科院优秀导师奖（2015）；入选英国皇家化学会高被引作者（2017 & 2018）、化学领域中国高被引学者（2018）及化学和材料领域全球高被引科学家（2018-2020）。入选英国皇家化学会会士（2020）。

发表论文500余篇，总引用次数50000余次，H指数120。研究主要集中于功能纳米材料结构的合理设计，并将其应用于电化学中的能量转换与储存、传感与环境。

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