界面工程用于提高CoP-Co2P多晶型物在全pH值析氢反应和碱性全解水反应中的电催化性能(英文)

开发具有丰富活性位点和高本征活性的磷化钴催化剂,用于高效且稳定的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)具有重要意义.本工作通过精准地控制球形膦酸钴的热还原温度合理地构建了新型的碳包裹的CoP-Co₂P多晶型物.独特的多级孔结构和CoP-Co₂P之间的异质界面不仅提高了活性位点的数量,而且还保证了优异的内在催化活性.所制备的催化剂展现出优异的电催化活性和稳定性(对于全pH值H E R(0.5 mol L~(-1H₂SO₄:81 mV@10 mA cm^-2; 1.0 mol L^-1KOH:109 mV@10 mA cm^-2; 1.0 mol L^-1PBS:227 mV@10 mA cm^-2)和碱性OER(1.0 mol L^-1KOH:1.53 V@10 mA cm^-2)).在作为双电极电解槽中全解水反应的双功能电催化剂时,该材料可以在1.60 V的低电...     

NiFe-植酸复合物的室温制备及其全解水电催化性能

制备高稳定性、高活性双功能催化剂用于全解水制氢是氢能源大规模商业化应用的重要环节之一。本文以植酸(PA)、六水合氯化铁(FeCl₃·6H₂O)和六水合氯化镍(NiCl₂·6H₂O)为原料,采用两步室温浸渍法在泡沫镍(NF)上制备了片状无定形植酸-镍铁双金属复合材料(NiFe-PA)。采用线性扫描伏安法(LSV)考察了NiFe-PA修饰NF电极(NiFe-PA/NF)在碱性条件(1.0 mol/L KOH)的电解水催化性能。实验结果表明：由于NiFe双金属之间的协同效应,NiFe-PA/NF作为双功能催化剂显示出优越的析氧和析氢性能。NiFe-PA/NF电极在50 mA·cm^-2电流密度下析氧反应的过电位仅需220 mV;在10 mA·cm^-2电流密度下的析氢反应的过电位为135 mV。将NiFe-PA/NF组装成双电极系统用于全解水,达到10 mA·cm^-2电流密度的电池电压仅需1.61 V,低于贵金属催化剂体系RuO₂     

非晶Nd-Ni-B/NF稀土复合电极材料的制备及其析氢性能

本研究采用简单的一步化学沉积法制备非晶纳米Nd-Ni-B/NF稀土复合电极并研究其析氢(Hydrogen evolution reaction, HER)性能。通过各种测试方法对纳米电极材料进行物相分析和形貌表征,并探索其电催化析氢性能和稳定性。结果表明, 稀土Nd可提高电极的电催化析氢性能, 当硝酸钕浓度为3 g?L^-1时, 恒温35 ℃下施镀1 h, 制备的Nd-Ni-B/NF电极析氢性能最佳。Nd-Ni-B/NF(Nickel foam)电极在1.0 mol?L^-1KOH 溶液中, 20 mA?cm^-2电流密度下的析氢过电位仅为180 mV, Tafel斜率为117 mV?dec^-1, 析氢反应由Volmer-Heyrovsky步骤控制。此外, Nd-Ni-B/NF电极具有优越的电化学稳定性, 在持续电解12 h或2000次循环伏安测试后, 催化剂的活性没有明显衰减。     

铁掺杂二硫化钼纳米片作为高效的双功能电解水催化剂

设计和合成具有高活性、耐久性的非贵金属电解水催化剂对能量转化和储存具有重要意义。在研究中,通过硝酸铁、硫代乙酰胺与二水钼酸钠在无水乙醇中的水热反应制备了铁掺杂二硫化钼(Fe-MoS₂)的纳米材料。Fe-MoS₂具有较高的析氧反应(OER)活性,在1 mol/L KOH电解质中,当电流密度为10 mA·cm^-2时过电位为250 mV,塔菲尔斜率为219 mV·dec^-1,而且Fe-MoS₂在这些条件下可稳定超过10 h以上。同时其具有良好的析氢反应(HER)活性,在0.5 mol/L H₂SO₄电解质中,当电流密度为10 mA cm^-2时过电位为220 mV。此外,在1 mol/L KOH电解液中,Fe-MoS₂/C(阳极)//Fe-MoS₂/C(阴极)两电极体系具有良好的电解水催化活性,在10 mA cm^-2的电流密度下低电位为1.77 V。为开发...     

负载在Co/碳纳米纤维上的分层非晶双金属硫化物纳米片用于协同促进水电解（英文）

设计分层异质结构作为一种经济且高效的催化剂,以实现水分解的电子和界面工程,是能源存储与转化中的一个有意义的决策.在这项工作中,通过静电纺丝-碳化-电沉积的策略,制备了负载在嵌入Co纳米颗粒的碳纤维上的非晶态NiFeS纳米片(Co-C/NiFeS纳米纤维)催化剂.该催化剂具有优异的析氧反应(OER)活性,在1 mol L^-1 KOH溶液中,在10 mA cm^-2下的过电位为233 mV,Tafel斜率为53.1 mV dec^-1,同时还具有良好的析氢反应活性.此外,由Co-C/NiFeS纳米纤维作为阳极,商用Pt/C作为阴极构建的碱性Pt/C‖Co-C/NiFeS电解槽在10 mA cm^-2下实现1.48 V的低电池电压,优于基准Pt/C‖RuO₂电解槽和许多其他报道的电解槽.作为双功能电催化剂,Co-C/NiFeS‖Co-C/NiFeS自身组装的电解槽表现出70小时的长期稳定性,显著优于Pt/C‖RuO₂电解槽.该催化剂显著的OER性能得益于Co-C纳米纤...     

具有优越电催化析氢性能的超小碳负载FeRu合金（英文）

电化学水分解是将可再生能源产生的间歇性电能转化为高纯度氢气的一种极具前景的绿色能源技术.目前,高效制氢催化剂主要由贵金属及其化合物组成,而贵金属的高成本及稀缺性,限制了其在大规模工业化制氢中的应用.因此,探索低成本,高电化学活性、高稳定性的电解水制氢催化剂至关重要.合金化材料以短程或长程有序结构存在,具有增强的电化学性能.因此,本文采用两步法制备超小碳负载FeRu合金纳米电催化剂并将其应用于电催化析氢反应.Fe_0.05Ru_0.05/XC-72双功能电催化剂粒径为2.1 nm,在碱性淡水和海水电解质中表现出优异的活性和耐久性.10 mA cm^-2时,在1 mol L^-1 KOH、1 mol L^-1 KOH+0.5 mol L^-1 NaCl和1 mol L^-1 KOH+海水中分别表现出13、15和18 mV的过电位.在1 mol L^-1 KOH介质和-0.07 V(相比于可逆氢电极)条件下,Fe_0.05     

腐蚀-配位工程构建含有微量Pt的2D-3D纳米结构高效电解水催化剂（英文）

开发具有良好的催化性能和稳定性的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的电催化剂对水分解产氢的商业化起着关键作用.本文通过简单、可扩展的腐蚀配位方法,将金属氢氧化物和金属有机骨架(MOF)组成的二维-三维(2D-3D)纳米结构原位装饰在泡沫Ni Fe (Pt-Ni Fe PBA)上.所设计的特殊形态有利于在电催化过程中提供丰富的活性位点、优化反应途径和加速传质.因此,合成的Pt-Ni Fe PBA在1 mol L^-1KOH中HER和OER在10 m A cm^-2时具有29和210 m V的过电位.值得注意的是,在10 m A cm^-2时该催化剂仅需21 m V即可驱动1 mol L^-1KOH海水,并具有出色的稳定性.此外,将合成的Pt-Ni Fe PBA用作双功能电催化剂时,只需1.46和1.48 V即可以达到10 m A cm^-2.此外,间歇性的可持续能源,如热能、风能和太阳能可以为该水分解器提供动力.     

Co3S4电极材料的制备及在碱性析氢反应中的重构行为研究

因为析氢反应(HER)电位远低于析氧反应(OER),催化剂的重构过程相对迟缓,所以其重构现象鲜有报道。为此,本工作通过水热和硫化两步法成功合成了自支撑碳布(CC)负载纯相Co₃S₄电极材料,其微观呈纳米颗粒组装的绿疣海葵状结构。该电极材料在1 mol/L KOH的HER电化学测试中就能发生快速、完全重构,催化活性显著提升,在100 mA·cm^-2时过电位降低约55 mV。诱发重构主要是硫组分浸出所致。重构后的电极材料物相为Co(OH)₂,且形貌已完全转变为数层纳米片堆叠而成的大比表面花状结构,暴露出更多的活性位点,促进电解液与电极材料的接触,加速催化反应中的传质过程,进而提升催化活性。这一发现有助于科研工作者初步认识硫化物催化剂电极材料在HER催化过程中的重构行为。     

一种用于肼氧化-复合海水电解制氢的富吡啶氮碳纸（英文）

丰富的中性海水有望替代高纯淡水用于绿氢制备,然而基于过渡金属材料催化的直接海水电解会因析氯反应(ClER)引发严重的腐蚀问题并造成二次重金属污染,且析氧反应(OER)的动力学缓慢.本工作中,我们报道了一种稳定的富吡啶氮的碳纸(N-CP-800),可以有效地催化肼氧化反应(HzOR),以取代中性海水中的OER用于节能制氢.结合电化学实验、原位衰减全反射-表面增强傅里叶变换红外光谱表征和密度泛函理论计算,我们发现:相较于吡咯氮和石墨氮, zig和arm构型的吡啶氮更有利于决速步(^*H+N₂H₁)的质子脱附,以促进肼氧化反应.因此, N-CP-800在中性介质中进行HzOR时,仅需0.78 V (相对于可逆氢电势)便可达到10 mA cm^-2,低于其OER/ClER竞争反应.当N-CP-800与非贵金属析氢催化剂CoP耦合进行HzOR-复合海水电解时,仅需1.56 V的电压即可达到10 mA cm^-2,并能稳定运行200 h,优于Pt/C和RuO₂标准电极对催化...     

电化学刻蚀制备表面纳米多孔NiMoCu电解水析氢催化剂

电解水制氢是一项制取绿色氢能的重要技术,开发高催化活性的催化剂作为电极材料是当前的研究热点。电解水反应包括阴极的析氢反应和阳极的析氧反应,以Ni₇₄Mo₆Cu₂₀三元合金条带为前驱体,采用电化学脱合金技术制备了一种用于析氢反应的表面纳米多孔NiMoCu电解水析氢催化剂,并采用扫描式电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪等设备对材料的物理化学特性进行了表征。结果表明：所制备的纳米多孔NiMoCu电极材料在1mol/L KOH溶液中具有良好的析氢性能,仅需要90mV、227mV的过电位就能达到10mA/cm²、100mA/cm²的电流密度。     

深共晶溶剂中电沉积制备Co-Fe-Gd/NF电极及其析氢性能研究

为了制备出在碱性环境中具备高效能的廉价析氢电极催化剂,选择不同的沉积电位在氯化胆碱-尿素(ChCl-urea)中电沉积制备出五种Co-Fe-Gd/NF电极催化剂。通过扫描电镜(SEM)和光谱仪(EDX)对电极表面形貌、元素含量及分布情况进行表征,X射线光电子能谱(XPS)对电极表面化学性质进行表征。结合线性扫描伏安法(LSV)、电化学阻抗技术(EIS)和循环伏安法(CV)电化学测试结果,表明-1.24 V沉积电位下制备的Co-Fe-Gd/NF-3电极具备优异的析氢催化性能,在10 mA·cm^-2时的过电位仅为71 mV,最小的塔菲尔斜率(45 mV·dec^-1)与电荷转移电阻(0.28503Ω·cm^-2)表明其具备更快的析氢反应动力学过程,电化学活性表面积(ECSA)最大为390.5,为析氢过程提供更多的反应活性位点。对电极进行循环伏安耐久性测试与计时电流法(I-t)测试,结果表明Co-Fe-Gd/NF-3电极催化剂在碱性环境中稳定性良好。     

在析氧反应中,直接动态观测Ni3N±Co3N/CC表面重构和活性物质(英文)

电解水反应包括析氢和析氧反应.相对于2电子转移的析氢反应,4电子转移的析氧反应比较缓慢.因此,理解析氧反应机制有助于设计高效电催化剂.其中析氧反应机制可以分为传统吸附机制和直接氧析出机制.在本文中,我们将蜂窝状Ni₃N–Co₃N生长在碳布上来调研其直接氧析出机制.密度泛函理论和原位拉曼证明了Ni₃N–Co₃N在反应过程中是直接氧析出机制,其中Ni₃N和Co₃N共同拉拽OH^-、劈裂H–O和吸附另外的OH^-基团,从而降低了反应活化能.不仅如此,蜂窝状结构和导电基体有助于结构稳定和提高氧气释放速率.因此, Ni₃N–Co₃N/CC在10和100 mA cm^-2电流密度下提供了320和495 mV的小过电势.同时,它也拥有更好的长期稳定性.     

三功能多位点绣球状电催化剂用于高效的安培级全解水/尿素制氢（英文）

电解水是绿氢制备最有希望的路线之一,它的颈瓶是阳极析氧反应需要极高的过电位,导致电解水制氢整体能耗高.因此,迫切需要开发廉价、高活性、大电流稳定的非贵金属基多功能催化剂以期降低电解水的制氢能耗,如淡水或含尿素的水.鉴于此,我们合理设计并合成了绣球状的CoP/Ni₃FeN异质结,用于碱性析氢、析氧和尿素电催化氧化反应.该催化剂呈现出优异的三功能催化活性和出色的大电流耐久性,在进行析氢、析氧和尿素电氧化反应时,分别需要-0.160、1.538和1.419 V的超低电位就能达到1000 mA cm^-2的高电流密度.此外,将该电催化剂作为正极和负极耦合全解水/尿素器件,仅需要1.577/1.668 V的电压就能驱动500 mA cm^-2.此外,结合原位拉曼光谱、测试后的X射线光电子能谱分析与密度泛函理论计算,我们验证了CoP/Ni₃FeN异质结催化剂可以极大地促进析氧和尿素氧化反应中的活性物种金属羟基氧化物的形成,同时降低析氢反应中的水吸附和活性氢中间体的吸附能垒,从而协同促进高效的析氢、析氧和尿素电催化氧...     

铱钴纳米纤维作为一种高效稳定的双功能电催化剂用于高性能水裂解（英文）

本文通过静电纺丝-煅烧-原位氢还原-置换工艺制备了嵌入铱的钴纳米纤维(Co-Ir-600).得益于独特的一维纳米纤维异质结构给予的快速电子传输和传质过程以及Ir和Co两组分之间的协同作用,Co-Ir催化剂在碱性电解质中达到10 mA cm^-2电流密度仅需169 mV的极低过电位,表现出优异的析氧电催化活性.此外,该催化剂还具有良好的析氢反应性能.我们构建了一种将Co-Ir-600纳米纤维催化剂同时作为阳极和阴极的碱性电解槽,其只需要1.51 V的低电池电压即可达到10 mA cm^-2的电流密度且耐用性好,性质明显优于参照的Pt/C||IrO₂以及许多已报道的水电解槽.本研究为制备经济高效的金属基水裂解电催化剂提供了一种通用有效的方法.     

部分磷化双金属中心集成制备高性能三功能催化剂用于制氢和柔性锌-空气电池（英文）

开发高效且性能稳定的氧析出(OER)、氧还原(ORR)和氢析出(HER)三功能催化剂是制备能源存储与转换设备的关键.本文使用一步磷化法,在氮磷共掺杂碳基上制备了Fe Co金属合金/磷化物催化剂(Fe Co-P/PNC).该催化剂显示了良好的ORR性能,展现了0.86 V (vs.RHE,相对于可逆氢电极)的半波电位;在OER和HER反应中,催化剂在10 m A cm^-2的电流密度下的过电位分别为350和158 m V.密度泛函理论计算表明,磷在Fe Co磷化物和碳基体中皆起主导作用,使得该催化剂同时具有良好的ORR、OER和HER功能.以Fe Co-P/PNC为空气阴极组装的水系电池和柔性锌-空气电池的峰值功率密度分别为195.1和90.8 m W cm^-2,且两种电池均具有优异的充放电性能、长寿命和高柔性.此外,自供能的整体水分解系统表现出较低的(1.71 V)工作电压以驱动10 m A cm^-2的电流密度,进一步证实了该催化剂出色的多功能性.     

Co(OH)2/CoN的界面空位协同作用促进碱性水分解(英文)

开发高性能、稳定的双功能电催化剂是一个具有挑战性的课题.本工作基于界面工程和空位工程,通过电沉积成功构建了一种富含氧空位的异质结催化剂.所制备的催化剂V_O-Co(OH)₂/CoN在碱性电解质中具有良好的双功能催化活性和稳定性,在10 mA cm^-2条件下,析氢反应的过电位为52 mV,析氧反应的过电位为206 mV,且其全水分解电压仅为1.518 V.更重要的是,实验和密度泛函理论计算都证实了V_O-Co(OH)₂/CoN优异的双功能活性归因于异质界面和氧空位的协同催化.在异质界面附近,一个Co原子和一个氧空位共同形成一个活性Co空位对,通过改变反应路径协同促进水分解.氧空位不仅作为活性位点直接参与催化过程,还能有效调节电子密度,提高催化剂的导电性.本工作对于指导高性能催化剂的设计和深入了解催化机理具有重要意义.     

富含氧空位的NiFe氢氧化物衍生的具有超疏气纳米阵列形貌的磷化物及其全解水性能（英文）

对高效催化剂进行多尺度调控可优化中间体的吸附能量(原子层面),并实现快速传质(三维宏观层面),这对于提升整体水分解性能至关重要.在本工作中,我们首先在镍铁氢氧化物中引入氧空位,然后通过磷化反应将其转化为具有纳米阵列形态的NiFe-Vo-P催化剂.在析氧反应催化过程中,NiFe-Vo-P表面会原位形成磷酸盐阴离子及具有催化活性的Ni(Fe)OOH,能显著优化反应中间体的吸附强度.结果表明,NiFeVo-P在过电位为289 mV时电流密度可达1.5 A cm^-2.同时,其超亲水/超疏气纳米阵列形貌可有效促进传质,在25和70℃的条件下,可在～2.0V的电池电压下分别获得580 mA cm^-2和1.0 A cm^-2的电流密度,是未进行超疏气形貌工程催化剂的电流密度的2倍以上.     

镍铁氢氧化物-磷化钴复合电极电催化分解水研究

本研究采用水热-磷化-电化学沉积法在磷化钴表面构筑了金属氢氧化物层,制备了NiFeOH/CoP/NF复合电极,考察了复合电极电解水制氢的性能。在1.0 mol/L.的KOH介质中,NiFeOH/CoP/NF复合电极表现出良好的催化电解水性能。在电流密度为100 mA/cm²时,NiFeOH/CoP/NF复合电极电催化析氢(HER)和析氧反应(OER)所需的过电势分别为141和372 mV。在电流密度为10 mA/cm²时,NiFeOH/CoP/NF同时用作阴极和阳极电解水所需电压仅为1.61 V。NiFeOH保护层增强了CoP在电解水反应中的活性和稳定性,NiFeOH/CoP/NF复合电极在恒电流电解中表现出高的HER和OER稳定性,活性可维持60000 s,性能未见明显衰减。将NiFeOH/CoP/NF两电极电解池与GaAs太阳能电池组成光伏-电解水系统,该系统在100 mW/cm²模拟光照条件下,太阳能至氢能转化效率达到18.0%,并可稳定运行200 h。     

NH2-MoS2@BP的制备及其电催化析氢性能研究

采用液相剥离法制备二维黑磷烯纳米片(BP),将其与改性的MoS₂通过水热法合成得到NH₂-MoS₂@BP,利用XRD、SEM、TEM对材料的形貌结构进行表征，并通过三电极体系测试析氢性能。结果表明，NH₂-MoS₂@BP形貌呈片层结构，BP在催化剂中颗粒很小且均匀的分布在其表面。在0.5mol/L H₂SO₄溶液中，当电流密度为10mA/cm²时，氨基的加入使催化剂的析氢过电位降低了20mV,BP的加入使催化剂的析氢过电位降低了90mV,塔菲尔斜率为95mV/dec,表明BP有利于改善改性MoS₂的催化性能。此外，连续的循环伏安测试表明NH₂-MoS₂@BP具有较好的电催化稳定性。     

阳离子和阴离子共掺杂Cr,S-NiFe纳米片阵列促进电催化转化葡萄糖耦合制氢（英文）

将制氢与间歇性可再生能源驱动的生物质电催化转化结合起来,是获得氢能和高附加值化学品的有效途径.然而,开发具有明确结构-性能关系的强效多功能电催化剂仍然是一个相当大的挑战.本文巧妙地开发了一种阳离子和阴离子共掺策略,以协同调控NiFe层状双氢氧化物的电子结构,明显促进了催化活性位点的暴露,从而提高了葡萄糖电催化转化制氢的性能.实验结果表明,杂原子Cr和S的加入促进了Ni(OH)₂ (Ni²⁺)/NiOOH (Ni³⁺)的可逆氧化还原,显著提高了葡萄糖的电荷转移和吸附能力.在葡萄糖电催化转化反应中,达到10 mA cm^-2的电压仅为1.219 V,比析氧反应低0.226 V.此外,Cr,S-NiFe/NF在双电极电解槽中表现出显著的葡萄糖电催化转化性能和产氢性能,达到10 mA cm^-2电流密度的电势仅为1.337 V,同时在阳极产生增值的甲酸盐,产氢率较电解水制氢提高了9倍.该生物质转化制氢耦合电催化剂提高了制氢效率,并获得了高附加值化学品.