太原理工大学李晋平教授课题组：无定型FeP-Ni/NF纳米锥阵列的构筑及其双功能电解水性能研究

利用太阳能、风能等绿色电能进行电解水制氢是一种极具前景的绿色制氢方法，而高过电位造成的高能耗及贵金属催化剂（Pt，Ru，Ir等）带来的高成本是制约电解水制氢技术大规模发展的关键难题。电解水过程的高能耗主要来源于电极极化、欧姆极化和浓差极化导致的高过电位。其中电极极化主要与电极材料有关，因此电催化材料的活性对于降低电化学极化过电位进而降低能耗、提升电解水制氢效率起着至关重要的作用。

众所周知，铁系金属元素（Fe，Co，Ni）具有含量丰富、成本低廉、环境友好和催化活性好等优点，作为一大类低成本、高活性电解水催化材料引起了广泛的关注。如何将来源广泛、成本低廉的铁系过渡金属元素设计为高活性的电解水催化材料成为该研究领域的热点和亟待解决的问题。一般而言，理想的电解水催化剂应具有高的表面析氧/析氢电催化活性面积、高的电子传导率、良好的长程机械与电化学稳定性、小的气泡效应并且廉价易得等特点。

图1. 自支撑FeP-Ni/NF纳米锥阵列的制备流程示意图

基于此，太原理工大学刘光副教授和李晋平教授科研团队设计制备了自支撑FeP-Ni/NF纳米锥阵列并实现了其高效电解水析氧/析氢的双功能应用。该体系以泡沫镍为集流体，将泡沫镍浸渍在含有铁盐、磷源的混合溶液中，通过简单的油浴加热即可实现FeP-Ni在泡沫镍上的均匀沉积，同时不加磷源的情况下制备了FeOOH-Ni/NF作为对比（图1）。所制备的自支撑FeP-Ni/NF纳米锥阵列电极在1 M KOH电解液（pH=13.6）中仅需218 mV的析氧过电位和120 mV的析氢过电位即可实现10 mA cm^-2的电流密度，并且表现出优异的长程析氧/析氢催化稳定性。更重要的是这种自支撑FeP-Ni/NF纳米锥阵列电极可以同时作为阳极和阴极来实现全分解水，仅需1.62 V的槽压即可实现10 mA cm^-2全分解水的电流密度。进一步的分析表明该材料优异的电解水催化性能可以归因于NiFeP电极独特的三维纳米锥阵列结构，从而可以暴露更多的表面电催化活性位点、提升电荷传递效率，使得电极表面具有更好的电解液浸润性和气泡逸出速率。该研究为快速、高效制备高活性自支撑电解水催化电极材料提供了重要的研究思路和借鉴。

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通讯作者简介

李晋平，工学博士，太原理工大学教授，博士生导师。现任太原理工大学党委副书记，气体能源高效清洁利用山西省重点实验室主任，山西省煤层气高效开采与利用协同创新中心主任。多年来主要从事气体能源高效清洁利用的研究，先后在Science, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊发表学术论文260余篇；授权中国发明专利20余项。作为主要完成人获得国家技术发明二等奖1项，山西省技术发明一等奖1项，省部级自然科学二等奖3项。先后获得“第九届侯德榜化工科学技术奖-创新奖”、“新世纪百千万人才工程国家级人选”，“新世纪学术技术带头人333人才省级人选”、“山西省五一劳动奖章”和“山西省高等学校中青年拔尖创新人才”等荣誉称号。

刘光，工学博士，太原理工大学副教授，硕士生导师。主要从事光电催化材料的设计、合成及其在能源光电催化转化领域的科学研究工作，主持了包括两项国家自然科学基金在内的9项科研项目。近年来在Appl. Catal., B, Nano Res., Chem Eng J.等国内外期刊发表科研论文50余篇，论文被引1000余次（Google Scholar），授权中国发明专利4项，获得2016年山西省自然科学二等奖（第三完成人）。

实验室网址：http://ccet.tyut.edu.cn/geecu