青岛科技大学王磊教授、徐广蕊副教授《Adv. Funct. Mater.》：多孔Pd/NiFeOx纳米片用于增强全pH全水解

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文章信息

多孔Pd/NiFeO_x 纳米片用于增强全pH全水解

第一作者：张雯

通讯作者：王磊*，徐广蕊*

单位：青岛科技大学

研究背景

开发宽pH范围内同时对析氢反应和析氧反应具有高效催化活性的双功能电催化剂是缓解环境污染和能源枯竭的有效途径。研究表明，贵金属催化剂往往具有高的催化活性和稳定性，但是贵金属的稀缺性限制了其大规模生产，更有吸引力的高效电解水催化剂材料亟待被发现。

文章简介

近日，青岛科技大学的王磊教授与徐广蕊副教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Porous Pd/NiFeO_x Nanosheets Enhance the pH-Universal Overall Water Splitting”的高水平论文。该论文报道了通过水热和热退火方法制备的具有牡丹花形状的自支撑多孔2D Pd/NiFeO_x纳米片。Pd/NiFeO_x纳米片由于独特的多孔结构表现出较大的电化学活性面积，暴露出更多的活性位点，促进电解质扩散以及催化剂表面气泡的产生和释放，可作为高效的双功能电催化剂进行整体水分解。此外，还提出了在非贵金属上修饰贵金属以调节材料的化学组成和物理性能，提高贵金属的利用率，增强催化性能。

本文要点

要点一：催化剂Pd/NiFeOx纳米片的制备与表征

图1. Pd/NiFeOx纳米片的结构及物理形貌表征。

通过水热和退火法制备而成的Pd/NiFeOx纳米片具有牡丹花形状，独特的超薄多孔结构提供了更多的活性位点，促进了电解质的扩散，同时TEM以及对应的mapping的结构确定了最终产物为Pd/NiFeO_x 复合物。

要点二：优异的OER、HER催化活性

Pd/NiFeO_x 纳米片在1 M KOH，0.5 M H₂SO₄ 和 1 M PBS 溶液中都表现出良好的催化性能。在1 M KOH溶液中，应用于OER时，仅需180、169、310 mV 即可达到10 mA cm^-2的电流密度，对HER同样具有优异的催化活性（76、46、75 mV）（图2a-b），远低于目前报道的大多数催化剂（图2e），材料本征活性（图2f）的提高和活性位点数量的增加（图2g）是其催化性能增强的关键所在。

更重要的是，催化剂Pd/NiFeO_x 纳米片在1 M KOH，0.5 M H₂SO₄ 和 1 M PBS 溶液中都具有优异的稳定性，在10 mA cm^-2的电流密度下可稳定工作50 h。

图2. Pd/NiFeOx纳米片的OER及HER性能表征。

要点三：全水解电催化活性评价

实验结果表明，催化剂Pd/NiFeO_x 纳米片用于双功能碱性整体水分解时，在20 mA cm^-2电流密度下的槽电压仅为1.57V，明显低于商用贵金属组装而成的Pt/C║RuO₂的槽电压（图3a）。在采用Pd/NiFeO_x║Pd/NiFeO_x 电解槽进行水分解时，发现电极表面存在明显气泡，这证明了电解水制备H₂能源的可行性（图3b）。此外，催化剂Pd/NiFeO_x 纳米片还显示出长时间的稳定性（图3c）和近乎100%的法拉第效率（图3d）。

图3. Pd/NiFeOx纳米片的全水解性能表征。

作者简介

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王磊教授 

山东省杰青，泰山学者青年专家，青岛科技大学崂山学者，博士生导师。2006年博士毕业于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室，同年来青岛科技大学工作至今。长期从事绿色能源相关领域研究，包括能源储存与转换材料、光电催化、超分子化学、金属-有机配位聚合物、有机-无机杂化材料等，先后合成出来首例微孔亚磷酸铍和首例具有三棱镜结构的高稳定金属有机钠盐。已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Enery Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Nano Energy, ACS Cent. Sci，Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A., Science.China.Chem.、中国科学、科学通报等国内外重要学术期刊上发表SCI论文二百余篇, 其中通讯作者影响因子大于10.0的论文四十余篇。主持国家级和省部级项目十余项，首位获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学技术奖共六项。

徐广蕊副教授

青岛科技大学特聘副教授，主要研究方向包括燃料电池阴、阳极，高效电解水及高性能电化学合成氨催化剂的设计、合成及相关机理研究。迄今在Adv. Funct. Mater., ACS Catal.，Chem. Sci.，J. Mater. Chem. A等国际著名期刊发表SCI收录的论文二十余篇；另有1篇论文入选ESI高被引论文 (ACS Catal.2016, 7, 452)。获授权中国发明专利2项。2020年9月入职青岛科技大学。

【第一作者介绍】张雯，2020级硕士研究生，研究内容主要包括高性能电解水催化剂的设计合成及想关催化机理研究和低温燃料电池电催化剂的制备及性能研究。

相关链接

Porous Pd/NiFeO_x Nanosheets Enhance the pH-Universal Overall Water Splitting 

https://doi.org/10.1002/adfm.202107181

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