NiSe@NiFe-LDH电催化剂用于高电流密度下的氧气生成

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：NiSe@NiFe-LDH electrocatalysts for oxygen generation at high current densities

氧析出反应（OER）催化剂研究：通过水热法和电沉积制备NiSe@NiFe-LDH纳米线催化剂，在1M KOH中500mA/cm2电流密度下过电位306mV，216小时稳定性良好，并在海水混合电解质中表现优异。

　　

摘要

在水分解过程中，氧气释放反应（OER）涉及复杂的反应机制。反应速率受到中间体吸附和脱附动力学缓慢的限制。在此，我们通过将结晶NiSe与非晶NiFe层状双氢氧化物（LDH）材料结合制备了一种复合催化剂。引入NiSe材料可以降低反应障碍并减少能量损失。所制备的NiSe@NiFe-LDH电催化剂在电流密度为500 mA cm^?2时的过电位为306 mV。同时，该电极在1 M KOH溶液中不同电流密度下可稳定工作216小时。这项工作为合成高效的OER催化剂提供了一条可行的途径。

引言

水的电解包括氢气释放反应（HER）和氧气释放反应（OER）[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。前者是一个两电子反应过程，而后者则经历了四个电子反应阶段，这受到复杂反应机制和过高过电位的限制[7,8]。四电子转移过程涉及多种中间体的形成和转化[[9], [10], [11]]。这严重影响了催化效率，从而增加了反应的能量消耗[[12], [13], [14]]。此外，催化剂在暴露于海水环境中容易腐蚀[[15], [16], [17]]。目前使用的贵金属催化剂（IrO₂和RuO₂）具有优异的活性和稳定性[[18], [19], [20]]。但其大规模应用受到高昂价格和资源稀缺的限制[21,22]。因此，迫切需要找到具有高活性和低成本的替代品[[23], [24], [25]]。

近年来，过渡金属化合物因其内在的高活性和低成本而被视为可行的替代材料[[26], [27], [28]]。Ni和Fe因其高价态而受到广泛研究，这些高价态促进了晶格氧机制。在文献中，Zhang等人合成了核壳结构Ni-Mo-S@NiFe LDH电极，其OER过电位为278 mV（100 mA cm^?2[29]。Ju及其同事报道了NiTe@NiFe-LDH阵列，在500 mA cm^?2电流密度下的OER过电位为359 mV[30]。在这些研究中，NiFe-LDH材料降低了复合材料的过电位。然而，结果仍不尽如人意。在众多材料中，NiSe因其能够加速复合材料间的电子转移而显示出潜力。此外，Nie的研究小组制备了NiSe@CoFe LDH/镍泡沫，其在100 mA cm^?2?2?2

在此，我们通过水热法制备了NiSe@NiFe-LDH纳米线催化剂，并进行了后续的电沉积处理。引入NiSe材料加速了电子转移过程，并显著降低了所需的电位。制备的NiSe@NiFe-LDH样品具有介孔结构和较大的比表面积。同时，结果表明NiSe@NiFe-LDH电极的Tafel斜率为51.17 mV dec^?1?2

材料

材料

硼氢化钠（NaBH₄）和六水合硝酸镍（Ni(NO₃)₂·6H₂O）由中国上海的Sinopharm化学试剂公司提供。九水合硝酸铁（Fe(NO₃)₃·9H₂O）和硒粉（Se）由中国天津的Tianjin Damao化学试剂厂购买。1毫米厚的镍泡沫（NF）来自中国昆山的Kunshan Guangshengjia新材料公司。在本研究中，所有试剂均直接使用，无需进一步纯化。

NiSe催化剂的制备

首先，准备了一块NF...

结果与讨论

首先，我们通过改变电解质中Ni和Fe的离子比例制备了一系列NiSe@NiFe-LDH催化剂。这些样品用于研究催化剂的最佳比例。从图S1a可以看出，NiSe@NiFe-1样品具有粗糙的纳米线结构。然而，NiSe@NiFe-2和NiSe@NiFe-3样品的表面产生了聚集结构（见图S1b-1c）。这种聚合现象不利于催化剂与电解质之间的接触。图S1d和S1e显示...

结论

总结来说，我们通过水热法和电沉积法合成了一种NiSe@NiFe-LDH纳米线催化剂。所制备的催化剂在高电流密度下表现出较低的过电位和Tafel斜率。较大的电化学活性比表面积有助于催化中间体的吸附和脱附。此外，在海水和1 M KOH混合电解质中，该催化剂展示了优异的OER催化能力。该电催化剂在144小时的循环测试中表现稳定...

CRediT作者贡献声明

Ding Li：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。Shengke Tang：可视化、验证、软件使用、方法论设计、数据分析。Zizhao Liu：软件使用、数据分析。Li Xiao：撰写 – 审稿与编辑、资源协调。Xiang Wu：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源协调、项目管理、数据分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52172218）的支持。