南京大学王学斌团队在电催化水分解研究领域取得新进展

能源是人类社会生存和发展的重要物质基础，是人类社会发展和进步的重要支撑。储量有限的传统化石能源大规模使用带来了环境污染和温室效应等问题，严重阻碍了人类社会的可持续发展。氢气作为一种清洁的二次能源，具有较高的质能比，并且燃烧产物无污染，已被视为一种理想的能源载体，通过电催化水分解制氢是一项非常有前景的途径。然而电催化分解水面临OER和HER的反应动力学缓慢和过电位较高的问题，而且大部分催化剂均在酸性或碱性条件下工作，增加了能源消耗和生产成本。去年，课题组针对水分解催化剂工作条件（酸性或碱性）的问题，发展了CoO/Co4N异质结构电催化剂，在中性体系中实现了电催化高效全分解水，相关工作以《CoO-modified Co4N as a heterostructured electrocatalyst for highly efficient overall water splitting in neutral media》为题发表在Journal of Materials Chemistry A上（Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 24767.）。

为了进一步降低电催化OER和HER的过电位和提升反应动力学性能，王学斌教授课题组在前期三维筋称石墨烯研究工作(Nature Communications, 2013, 4, 2905; Nano Energy, 2015, 16, 81; Bulletin of the Chemical Society of Japan, 2018,92 , 245)的基础上，通过实验设计合成了超轻的三维自支撑电极NiFeP/SG，直接作为反应电极用于高效电催化析氧、析氢反应和全分解水。

图1 3D NiFeP/SG电极的制备过程及用于电催化全分解水

3D SG由于具有较大比表面积、多孔结构、较高电导率和优异的稳定性，课题组率先将其作为基底，通过将超薄的NiFeP纳米片直接生长在SG表面，得到3D NiFeP/SG自支撑水分解电极。研究发现，铁元素的引入有效调节了Ni2P的电子结构，使其d带中心上浮，导致吸附中间体的吸附能减少，降低了反应势垒，提高了电催化活性。而且超薄的NiFeP纳米片结构、SG的多孔结构和SG上NiFeP的直接生长进一步提升了NiFeP/SG的催化活性。当直接作为催化电极时，在10 mA cm-2电流密度下，OER和HER分别仅需过电位为218和115 mV，全分解水的电压仅需1.54 V。利用RRDE技术分别证明了3D NiFeP/SG的OER和HER过程具有较高的法拉第效率。同时与NiFeP/NF和NiFeP/Ti相比，3D NiFeP/SG具有较小的阻抗和较大的质量活性。

图2 （a）NiFeP/SG的OER的极化曲线，（b）RRDE技术测试的样品NiFeP/SG的OER法拉第效率，（c）NiFeP/SG的HER极化曲线，（d-f）RRDE技术对样品NiFeP/SG进行HER法拉第效率的测试

南京大学现代工程与应用科学学院2016级博士生李瑞庆为论文的第一作者，王学斌教授为论文通讯作者，合作单位有香港城市大学、日本国立材料研究所，相关工作得到了南京大学胡征教授、上海大学李永乐教授等人的支持，以及南京大学高力波教授、徐洁研究员在拉曼表征方面的大力协助。研究得到了国家自然科学基金委面上及青年项目、中央高校基本科研业务费专项基金、江苏省优势学科、江苏省自然基金等项目的支持。

相关文章：Nano Energy, 2019, 58, 870-876.https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2211285519301363；J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 24767-24772，https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/ta/c8ta08519f