南昌航空大学叶志国教授、南京大学金钟教授《ACS AMI》：氮碳共渗改性提升双连续纳米多孔合金的析氧性能

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第一作者：黄玉迁

通讯作者：叶志国 金钟

单位：南昌航空大学 南京大学 全球能源互联网研究院有限公司 国网江西省电力科学研究院

近期，南昌航空大学叶志国教授、南京大学金钟教授基于纳米尺度Kirkendall效应，采用传统的氮碳共渗技术对双连续纳米多孔FeCoNiMg合金表面进行了改性，进一步提升了纳米多孔合金电极的析氧反应性能（图1），相关成果以标题为“Bicontinuous Nanoporous Nitrogen/Carbon-Codoped FeCoNiMg Alloy as a High-Performance Electrode for the Oxygen Evolution Reaction”发表在ACS Applied Materials & Interfaces。南昌航空大学材料学院硕士研究生黄玉迁为论文第一作者。此研究得到国家自然科学基金等资助支持。

研究表明，氮碳共渗改性的双连续纳米多孔FeCoNiMg合金电极具有大的电化学活性表面积、高的结构稳定性（图2，3）、优异的润湿性、高的导电性能和多元素协同效应。氮碳共渗改性的双连续纳米多孔FeCoNiMg合金电极在1 M KOH溶液中表现出良好的水电解析氧性能，拥有低的Tafel斜率 (34.6 mV dec^-1)，在10 mA cm^-2电流密度下过电位仅为235 mV如（图4）。此外，在连续大电流密度反应下，合金电极依旧表现出优异的长期稳定性，1000 mA cm^-2电流密度下老化100 h后电极的析氧活性甚至有所提高。研究采用传统的高温烧结和氮碳共渗改性法，制备工艺简单，资源丰富，成本低，环境友好，可制备大尺寸纳米多孔合金电极，高的电催化活性和稳定性，具有大规模应用前景。

图1双连续纳米多孔FeCoNiMg合金制备和氮碳共渗改性过程示意图。

图2 (a) 氮碳共渗改性的双连续纳米多孔FeCoNiMg合金的XRD图，(b) 电化学老化前后C 1s和(C) N 1s 的XPS。

图3 (a, b)氮碳共渗改性的双连续纳米多孔FeCoNiMg合金的FESEM；(c) 电化学老化前HRTEM和SAED；(d) HAADF-STEM图像；未老化样品中(e) Ni、(f) Fe、(g) Co、(h) Mg、(i) C、(j) N和(k) O的EDX元素能谱。

图4改性双连续纳米多孔FeCoNiMg合金在1 M KOH溶液中的电化学性能。(a)LSV图；(b)Tafel斜率，(c)Nyquist图；(d)C_dl值；(e)稳定性；(f)电化学老化100小时前后的 LSV曲线。

作者简介

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叶志国 教授叶志国，博士，南昌航空大学材料科学与工程学院教授、硕士生导师。入选江西省杰出青年人才资助计划，江西省百千万人才工程，兼任江西省热处理学会常务理事、秘书长。主要从事航空航天领域新能源材料与器件、特高压用电接触材料及航空铝合金表面强化技术等方面的研究工作，主持多项国家与省部级项目。研发的关键技术解决了国防、电力及冶金等领域的关键技术难题，授权中国发明专利12项，获得中国腐蚀与防护学会科学技术奖一等奖（排名第1）等科技奖励，取得了显著的经济效益和社会效益。在Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.、ACS Appl. Mater. Inter.、J. Power Sources等期刊发表论文100余篇。
金钟 教授金钟，南京大学化学化工学院教授、博士生导师、南京大学天长新材料与能源技术研发中心主任。2003年和2008年分别获得获北京大学化学与分子工程学院学士和博士学位。2008-2014年先后在美国Rice大学和麻省理工学院进行博士后研究。2014年起任教于南京大学，先后入选了国家海外高层次人才计划青年项目、国家自然科学基金优秀青年科学基金、科技部创新人才推进计划、国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才。
目前担任江苏省化学化工学会青年工作委员会主任委员、江苏省能源研究会储能专委会委员、江苏省汽车工程学会动力电池专委会委员、学术期刊《Frontiers in Chemistry》副主编、《Nano Research》、《Chinese Chemical Letters》、《Journal of Electrochemistry》和《SmartMat》青年编委等学术任职。主要研究领域是能源化学和材料化学，包括：清洁能源转换与存储材料的结构设计、物理化学机制研究和功能器件应用。已在Nature Commun.、JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.等学术期刊发表SCI论文>180篇，他引>12000次，H因子55。主持国家重点研发计划“纳米科技”重点专项青年科学家专题项目、装备预研教育部联合基金青年人才项目、JW科技委GF科技创新特区项目、国家自然科学基金国际合作及面上项目、江苏省杰出青年基金等科研项目。获得了2021年国家自然科学二等奖(5/5)、2018年教育部自然科学一等奖(4/7)、江苏省教育教学与研究成果二等奖(1/5)、2017年江苏省首届创新争先奖状、江苏省双创人才、2016年江苏省“六大人才高峰”高层次人才、入选全国“大众创业万众创新活动周”核心展区等奖励和荣誉。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acsami.1c18739

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