OER电催化! 黑大「长江学者」，最新Nature子刊！

研究背景

随着全球能源需求的增加和气候变化的压力，开发可持续和清洁能源显得尤为重要。绿色氢气的生产通过水电解被认为是解决这一问题的有效途径之一。特别是阴离子交换膜水电解，因其具备成本效益和与可再生能源兼容的优势，成为一种有前景的技术。然而，海水电解作为一种利用地球上丰富海水资源进行氢气生产的方法，面临着一些挑战。因此，开发高效且稳定的OER催化剂成为提升电解效率和降低能量消耗的关键。

成果简介

基于此，黑龙江大学付宏刚教授与闫海静副教授等人通过将MXene（Ti₃C₂）与NiFe硫化物结合，利用MXene作为支持材料来增强NiFe硫化物的催化性能、稳定性和耐腐蚀能力。这种材料的协同作用有望解决现有催化剂在海水电解中的性能瓶颈，为大规模绿色氢气生产提供更加可靠的解决方案。该研究以“MXene-Assisted NiFe sulfides for high-performance anion exchange membrane seawater electrolysis”为题，发表在《Nature Communications》期刊上。

作者简介

闫海静，黑龙江大学副教授，2017年7月进入黑龙江大学化学化工与材料学院工作，加入功能无机材料化学教育部重点实验室科研团队。主要从事小尺寸过渡金属碳（氮、磷）化物的结构调控及电催化应用研究，开发基于基团相互作用原理可控构建小尺寸氮（磷）化物的方法。近五年来，在国际材料和能源领域一流刊物Nat. Commun.、Angew. Chem. In. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、J. Mater. Chem. A，Chem. Commum. 和Nano Res.等发表研究论文。

付宏刚，黑龙江大学教授、博士生导师，教育部长江学者奖励计划特聘教授，首批“国家万人计划”百千万工程领军人才，新世纪百千万人才工程国家级人选，黑龙江省龙江学者奖励计划特聘教授，功能无机材料化学省部共建教育部重点实验室主任。英国皇家化学会会士（2019.7-至今），RSC重要期刊EES Catalysis副主编。主持及承担国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划项目等国家级项目20余项。作为通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Nat. Commun.等重要期刊发表学术论文。

研究亮点

1、新颖的催化剂设计：提出了一种新型的电催化剂，通过将MXene（Ti₃C₂）与NiFe硫化物结合，开发了(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂复合催化剂。利用了MXene的高导电性和丰富的表面功能基团，有效增强了NiFe硫化物的电催化性能和稳定性。

2、改善OER性能：通过Ti₃C₂的引入，(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂催化剂能够有效触发晶格氧氧化机制（LOM），从而提高了OER活性。该催化剂在低电压下便能达到较高的电流密度，显著提升了OER的效率。

3、优异的稳定性和耐腐蚀性：该催化剂在长期使用过程中表现出显著的稳定性，经过1000小时的测试，性能几乎无衰退。此外，在含氯环境下，(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂的抗腐蚀性明显优于常规催化剂（如RuO₂）。

图1 (Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂的材料合成与结构表征

图1展示了(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂的纳米片结构，特别是其垂直交织的阵列结构。这种结构有助于提供更多的活性位点，提升催化效率，并增加电解液的渗透性，从而加速电解反应。XPS结果表明Ti₃C₂基底与(Ni,Fe)S₂之间存在较强的电子耦合，尤其是Ti-O-Fe键的存在，这种较强的键合作用有助于稳定Fe离子，防止其在氧化还原反应中的溶解，从而提高催化剂的稳定性。

图2 电催化OER性能

图2展示了(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂作为一种催化剂，表现出了优异的催化活性、快速的电催化反应动力学、低电荷转移电阻以及极佳的长期稳定性，优于多种常见催化剂。与其他常见的析氧反应催化剂（例如RuO₂）相比，(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂表现出更低的过电位，证明其具有更高的催化活性。与(Ni,Fe)S₂相比，(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂在长期测试中的表现更为稳定，显示出其较强的耐久性和稳定性。这使得它成为析氧反应中非常有前景的电催化材料。

图3 OER性能和氯离子抗腐蚀性的来源

图3展示了(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂催化剂在OER中的性能，特别是在抗腐蚀性和长期稳定性方面的表现，重点通过电化学阻抗谱（EIS）、原位XPS分析和金属溶解监测来解释其优异的催化性能和抗腐蚀特性。Ti₃C₂基底不仅提升了催化剂的催化活性，还通过强电子耦合增强了Fe的稳定性，并有效抑制了氯离子引发的腐蚀，使该催化剂在海水电解和其他工业应用中具有更高的耐用性。

图4 反应机制

图4展示了通过一系列实验和计算揭示了(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂催化剂在OER中的反应机制，并确认了其通过晶格氧氧化机制（LOM）进行OER，而(Ni,Fe)S₂则通过氢氧根离子氧化机制（AEM）。此外，(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂表现出更好的抗氯腐蚀性，Ti₃C₂基底显著降低了氯离子的吸附能力，有效增强了催化剂的耐久性。这使得该催化剂在海水电解等实际应用中具有较强的稳定性和耐腐蚀性。

图5 电解池性能

图5展示了使用(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂阳极和Raney Ni阴极的双电极电解池在不同条件下的性能评估。该催化剂不仅在较低的电压下即可实现较高的电流密度，还具有较高的氢气生产效率，表现出较好的耐腐蚀性，尤其是在海水电解条件下。这使得(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂成为未来绿色氢气生产技术中非常有前景的催化材料。此外，该电解池能够通过太阳能电池进行驱动，展示了在绿色能源系统中的应用前景。

总结展望

本研究提出的(Ni,Fe)S₂@Ti₃C₂催化剂不仅具有高效的OER性能，而且在长期运行中的稳定性和抗氯腐蚀性优异。这使得它成为一种理想的电催化材料，特别适用于海水电解和绿色氢气生产等工业应用。此外，通过优化催化剂的合成方法和反应机制，本研究为解决过渡金属催化剂在海水电解中因金属溶解和氯腐蚀导致的性能下降问题提供了新的解决方案。

文献信息

MXene-Assisted NiFe sulfides for high-performance anion exchange membrane seawater electrolysis. Nature Communications.

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