青岛科技大学：多孔Pd/NiFeOx 纳米片用于增强全pH全水解

【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。

【工作介绍】

近日，青岛科技大学的王磊教授与徐广蕊副教授等人利用水热和热退火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。该文章发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上。2020级硕士研究生张雯为本文第一作者。

【内容表述】

1 结构表征

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/NiFeOx 复合物。

图1 Pd/NiFeO_x纳米片的形貌和结构表征。a、b) SEM图像，插图(b):牡丹照片；c) TEM图像；d-f) Pd/NiFeO_x纳米片的HRTEM图像 (插图1d, Pd/NiFeO_x纳米片的SAED图)；g-l) Pd/NiFeO_x纳米片的HAADF-STEM图像和相应的元素映射。

2 优异的OER、HER催化活性

催化剂Pd/NiFeO_x 纳米片在1 M KOH，0.5 M H₂SO₄ 和 1 M PBS 溶液中都表现出良好的催化性能，应用于OER时，仅需180、169、310 mV 即可达到10 mA cm^-2的电流密度，用于HER时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），材料本征活性的提高和活性位点数量的增加也是其催化性能增强的关键所在。另外，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 a) Pd/NiFeO_x纳米片、Pd/NiO、NiFeO_x、NiO纳米片、NF和商用RuO₂/Pt/C在1.0 M KOH溶液中扫描速率为5 mV s⁻¹的HER和OER极化曲线。b) Pd/NiFeO_x纳米片、Pd/NiO、NiFeO_x、NiO纳米片、NF和商用RuO₂/Pt/C在10和100 mA cm⁻²下的OER和HER的过电势，c,d) 碱性条件下，OER的相应Tafel图。e) Pd/NiFeO_x纳米片和其他报道的双功能电催化剂的OER (10 mA cm⁻²) 和HER (10 mA cm⁻²) 过电位。f) Pd/NiFeO_x、Pd/NiO、NiFeO_x、NiO纳米片、NF和商用RuO₂的Nyquist图 (OER过电位= 0.5 V)。g) C_dl，以及h) C_dl与过电位的关系。i) Pd/NiFeO_x纳米片和商用RuO₂稳定性测试前后的OER极化曲线。

图3 a,b) 0.5 M H₂SO₄和1 M PBS溶液中扫描速率为5 mV s⁻¹的HER和OER极化曲线，c,d) Pd/NiFeO_x纳米片、Pd/NiO、NiFeO_x、NiO纳米片和商业RuO₂对应的Tafel斜率。e,f)计时电流测定前后Pd/NiFeO_x纳米片和RuO₂的极化曲线。

3 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电流密度下的电池电压为1.57 V，明显低于商用贵金属组装而成的Pt/C ║ RuO₂（图4a）。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4b）。此外，催化剂Pd/NiFeO_x 纳米片还具有长时间的稳定性（图4c）和近乎100%的法拉第效率（图4d）。

图4 a) 以Pd/NiFeO_x纳米片为电解槽的阳极和阴极催化剂，和以商业化RuO₂为阳极催化剂，Pt/C为阴极催化剂的双电极体系在1.0 M KOH溶液中整体水分解的LSV曲线。b) 两电极体系的照片。c) Pd/NiFeO_x ‖ Pd/NiFeO_x和Pt/C ‖ RuO₂在1 M KOH溶液中20 mA cm⁻²的计时安培测试。d) H₂和O₂的产生量与时间的关系。

Wen Zhang, Xue Jiang, Zemeng Dong, Jing Wang, Ning Zhang, Jie Liu, Guang-Rui Xu,*and Lei Wang*, Porous Pd/NiFeO_x Nanosheets Enhance the pH-Universal Overall Water Splitting, Advanced Functional Materials 2021, https://doi.org/10.1002/adfm.202107181

作者简介：

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)。2020年9月入职青岛科技大学材料科学与工程学院。