镍铜空心球双功能电催化剂用于全水分解

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氢气的高能量密度以及能量转化效率使其成为有望替代化石燃料最有力的竞争者之一。制备氢气的方法有很多，电催化水裂解是其中一种高效且环保的方法。但是当前电催化剂高昂的成本严重地阻碍了电催化水裂解制备氢气的推广。因此，寻找一种低廉的材料以替代贵金属电催化剂成为目前的研究关键。研究表明，包含过渡金属（如Ni，Fe和Co）的合金材料不仅储量丰富，而且有着优异的HER和OER催化活性。此外，对于催化剂的空心结构设计可以赋予其更大的比表面积和更短的物质传输路径，进一步提高电催化性能。

近日，复旦大学武利民课题组报道了一步溶剂热法制备得到镍铜丙三醇酯（Ni_xCu_y-G）空心球前驱体（图1），并通过煅烧制备得到Ni_xCu_y@C空心球用于高效电催化全水分解。

图1.Ni_xCu_y-G空心球的形成过程

在溶剂热过程中，镍铜丙三醇酯实心球会快速形成。但是随着反应时间的延长，镍和铜迁移速率的差异会造成内部空腔的出现。除了反应时间之外，Ni/Cu比是另一个影响内部空腔大小的关键因素。Cu含量的增加会伴随着形成的空腔的扩大（图2）。

图2. TEM 图像 a, e) Ni-G, b, f) Ni₄Cu₁-G, c, g) Ni₄Cu₂-G and d, h) Ni₄Cu₃-G

Cu的引入不仅没有破坏原有的球形结构，均匀分散在空心球当中，并且可以与Ni充分相容形成合金材料。此外，丙三醇会在高温煅烧下转化为石墨化碳，并包覆在镍铜纳米粒子的表面。

图3.Ni_xCu_y@C空心球的XRD、HRTEM和EDS表征

制备得到的Ni₄Cu₂@C展现出优异的HER和OER性能，并且在测试条件下具有长时间稳定性（图4）。首先，空心结构可以提高比表面积以暴露更多的活性位点，同时扩散路径的缩短也增强了离子的传输能力。其次，铜的引入由于可以带来更多的自由电子，有效地提高了材料本身的导电性。不仅如此，铜可以调节镍对于反应中间体的键合作用，从而使得镍铜合金材料有着优异的电催化性能。

图4.Ni₄Cu₂@C空心球的电催化性能

这项工作利用金属间的离子迁移速率差异为简易合成金属空心球材料提供了一条可行的途径。该方法有望进一步拓展至其他具有不同组分及结构的功能材料的制备，尤其对于过渡金属基电催化剂的设计合成具有重要意义。

点击“阅读原文”直达上述文章

Facile Synthesis of Nickel-Copper Hollow Spheres as Efficient Bifunctional Electrocatalysts for Overall Water Splitting

Limin Wu, Lifeng Lin and Min Chen*

Mater. Chem. Front., 2020, Accepted Manuscript

http://dx.doi.org/10.1039/C9QM00697D

*文中图片皆来源上述文章

通讯作者简介

武利民 教授

复旦大学 材料科学系

复旦大学材料科学系教授、博士生导师、教育部“长江学者”特聘教授，聚合物分子工程国家重点实验室教授。近年来，负责承担和完成的项目包括国家重点研发计划纳米科技专项、基金委创新群体、国家“863”计划、国家自然科学基金重点项目，以及国内外企业委托项目等。共发表SCI论文300余篇，SCI论文被他引超过12000多次，其中35篇文章他引超过100次，13篇入选ESI高引用论文，H-因子61；出版中英文专著各2部；共申请和获得国家发明专利36项，美国专利项、世界专利2项。