石河子大学于锋教授团队CEJ：溶液等离子体技术制备MNiOOH（M=Fe、Co、Ni、Cu）用于电解水制氢

绿氢在实现碳中和的过程中具有举足轻重的地位。电解水制氢技术被认为是制取绿氢最有潜力的技术，该技术不仅清洁环保，并且可以得到高纯度的氢气，有望成为下一代大规模制氢的方法。然而，大多数高活性的催化材料是粉体材料，需要涂覆在催化活性低的镍或不锈钢等电极板制备成为“成型催化剂”，才能用于电解水制氢。

近日，石河子大学碳中和与环境催化剂技术研究团队（Carbon Neutralization and Environmental Catalytic Technology Laboratory, CN&ECTec Lab）于锋教授（点击查看介绍）课题组采用溶液等离子体技术，利用不同金属电极放电，成功在镍网上“原位生长”了MNiOOH (M = Fe、Co、Ni、Cu)。其中FeNiOOH表现出了优异的析氢反应（HER）和析氧反应（OER）电催化活性。研究发现，FeNiOOH在费米能级附近的态密度峰最低，电子的离域性最强，导电性最好，有利于电子的传输。在50 mA/cm²、1 M KOH条件下的催化HER过电位为257 mV，ΔG_H*为0.186 eV；催化OER过电位为320 mV，RDS（ΔG_H*为1. 582 eV），削弱了*OH的吸附，降低了O*到OOH*的能垒，为OER提供理想反应界面。FeNiOOH在电压为1.82 V时可以提供50 mA/cm²的电流密度，分别比CoNiOOH和NiNiOOH以及CuNiOOH低110 mV、192 mV、223 mV。在1.9 V下连续工作50 h，电流密度能够维持在45 mA/cm²。

图1. 溶液等离子体法制备电催化剂的示意图

图2. 不同催化剂的SEM图、TEM图、HRTEM图和SAED图

图3.（a）催化剂的HER性能LSV曲线；（b）催化剂的Tafel斜率；（c）催化剂的阻抗谱；（d）FeNiOOH催化剂的长期稳定性测试（插图稳定性测试后的HER过电位和初始值的比较）；（e）催化剂的OER性能LSV曲线；（f）催化剂的Tafel斜率；（g）催化剂的阻抗谱；（h）FeNiOOH催化剂的长期稳定性测试（插图稳定性测试后的OER过电位和初始值的比较）；（i-l）催化剂在不同扫描速率下的CV曲线

图4.（a-d）电荷密度和Bader电荷转移图；（e-h）分波投影态密度（PDOS）；（i）H₂吸附能；（j）HER吉布斯自由能图；（k）OER（U=0V）吉布斯自由能图；（l）OER（U=1.23V）吉布斯自由能图

图5. (a-d) OH*的吸附能; (e-h) O*的吸附能; (i-l) OOH*的吸附能

相关工作在国际知名期刊Chemical Engineering Journal 上发表。论文的第一作者为石河子大学化学硕士研究生鲍文涛、付鹏杰和大连理工大学博士研究生卢可，通讯作者为石河子大学杨金凤教授、杨晓东副教授和于锋教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Solution plasma-assisted synthesis of oxyhydroxides for advanced electrocatalytic water splitting

Wentao Bao^#, Ke Lu^#, Pengjie Fu^#, Jinfeng Yang*, Ying Tang, Yaxin Sun, Zhen Yang, Fuxi Bao, Zongyuan Wang, Xiaodong Yang*, Feng Yu*

Chem. Eng. J., 2023, 474, 145826, DOI: 10.1016/j.cej.2023.145826

导师介绍

于锋

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