湖大/广大Small Methods：NiFe基非均相催化剂实现高效电解水制氢

迄今为止，用于电解水的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)催化剂主要是贵金属，如Pt和Ru/Ir等，但由于贵金属的稀缺性、高成本和稳定性不足，严重限制了其大规模应用。这时，过渡金属化合物(TMC)因其在地球上丰富的储量和低成本而被广泛研究，以取代贵金属基催化剂。

在这些TMC电催化剂中，特别是镍铁层状双氢氧化物(NiFe-LDH)，因其吸引人的物理化学性质、独特的层状结构和值得关注的氧化还原特性，在过去的十年中受到了广泛的研究。由于NiFe-LDH的HER性能较差，特别是在碱性溶液中，研究者采用了元素掺杂、界面工程、电子结构调控等一系列策略来改善其导电性能差、活性位点不足、水解离过程缓慢等问题，并取得了显著进展。

其中，湖南大学M.-Sadeeq Balogun和广州大学黄勇潮(共同通讯)等人报道了一种在氩气气氛以及可控退火温度下，利用NiFe-LDH制备Ni-Fe衍生物电催化剂的简单策略，并且实现了高效析氢。

本文首先通过线性扫描伏安法(LSV)在O₂饱和的1.0 M KOH碱性电解质中测试了催化剂的HER过电位。从LSV曲线可以看出，NiO/FeNi₃电催化剂达到10 mA cm^-2的电流密度所需的过电位非常低，仅为16 mV，不仅显著小于NiO-LDH(180 mV)、Fe-NiO(198 mV)和NiO/FeNi₃/Fe₃O₄(23 mV)，而且达到了贵金属催化剂Pt/C(17 mV)的水平。更令人惊喜的是，当电流密度为500 mA cm^-2时，NiO/FeNi₃催化剂在95%的IR补偿下的过电位仅为165 mV，性能十分优异。对于实际的碱性全解水来说，设计的催化剂最好是双功能的催化剂。

因此，本文还在1.0 M KOH溶液中评估了NiO/FeNi₃的OER催化性能，并与NiO-LDH进行了比较。与NiO/FeNi₃(245 mV和204.91 mV dec^-1)相比，NiO-LDH需要的过电位更低(220 mV@10 mA cm^-2，Tafel斜率：149.42 mV dec^-1)，但差距较小。

因此，本文最后将NiO/FeNi₃同时作为阴极和阳极进行全水解(NiO/FeNi₃||NiO/FeNi₃)。达到150 mA cm^-2的电流密度，NiO/FeNi₃||NiO/FeNi₃仅需要1.92 V的电压，而NiO/FeNi₃||NiFe-LDH则需要1.97 V的电压才能达到这一电流密度，这表明在更高的电流密度下，NiO/FeNi₃||NiO/FeNi₃是非常有利和优越的，尤其是在工业应用中。

为了进一步探究催化剂性能优异的原因，本文还进行了一系列的理论分析。有趣的是，NiO/FeNi₃在3.35 eV时的静电势与NiO/FeNi₃/Fe₃O₄在1.41 eV时的静电势明显不同。静电势的差异使NiO-FeNi₃比NiO-FeNi₃-Fe₃O₄产生了沿Z轴的更强内建电场，从而导致NiO和FeNi₃之间的界面电荷重新分布。强的内建电场可以优化H和OH的吸附能，在与H₂O相互作用时，电子更倾向于与NiO/FeNi₃而不是与NiO/FeNi₃/Fe₃O₄紧密接触。

此外，自由能图显示，与NiO-Fe(-0.60 eV)、FeNi₃(-0.51 eV)和Fe₃O₄(-0.47 eV)相比，NiO的ΔGH-H₂O*最低，为-0.70 eV，表明NiO在H₂O解离过程中最活跃的。此外，H吸附过程的自由能图还表明，与NiO-Fe(-0.43 eV)、NiO(-0.51 eV)和Fe₃O₄(-0.61 eV)相比，FeNi₃的的ΔGH-H^*最接近于零，这有利的证明了FeNi₃是最适宜的氢吸附位点。

更加令人信服的是，NiO/FeNi₃催化剂的表观活化能比NiO/FeNi₃/Fe3O₄低得多，这不仅证实了理论计算的结果，而且证明了NiO/FeNi₃催化剂的动力学较强，原位拉曼也同样证明了这些结论。总之，本工作为利用双层氢氧化物前驱体开发新型催化剂提供了有价值的指导。

Phase Evolution on the Hydrogen Adsorption Kinetics of NiFe-Based Heterogeneous Catalysts for Efficient Water Electrolysis, Small Methods, 2023, DOI: 10.1002/smtd.202201472.

https://doi.org/10.1002/smtd.202201472.

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