《Synthetic Metals》：Integrating NiCo
2S
4 chalcogenide with FeP and Fe
2P phosphides for enhanced oxygen evolution reaction efficiency
编辑推荐：
氧析氢反应催化剂研究：通过XRD、SEM和XPS表征证实Ni-Co?S?基复合催化剂成功整合FeP和Fe?P磷化物，显著提升OER活性，其中NiCo?S?@FeP在500mA/cm2电流密度下过电位仅322mV且稳定运行96小时，为低成本高效水裂解技术提供新方案。
阿里·B·M·阿里（Ali B.M. Ali）、塔纳·阿米尔·艾哈迈德（Thanaa Amir Ahmed）、法尔佐娜·阿利莫娃（Farzona Alimova）、拉姆德夫辛·贾拉（Ramdevsinh Jhala）、P·S·拉加文德拉·拉奥（P S Raghavendra Rao）、贾杰内斯瓦尔·南达（Jajneswar Nanda）、阿尤什·佩努利（Ayush Painuly）、阿尔什迪普·辛格（Arshdeep Singh）、阿卜杜勒·萨迪克·谢克（Abdul Saddique Shaik）、赛义夫·伊斯兰（Saiful Islam）
伊拉克卡尔巴拉（Karbala）瓦里特·阿尔-安比亚大学（Warith Al-Anbiyaa University）工程学院，邮编56001
摘要
本研究探讨了Ni-Co硫属化合物与FeP和Fe?P金属磷化物结合在氧进化反应（OER）中的催化性能。合成的NiCo?S?、NiCo?S?@FeP和NiCo?S?@Fe?P催化剂通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）进行了表征。XRD分析证实FeP和Fe?P成功嵌入NiCo?S?基质中，特征峰表明其具有立方尖晶石结构和结晶铁磷化物特性。SEM图像显示，这些复合材料具有明显的形态特征，FeP和Fe?P颗粒分散在NiCo?S?表面，为催化反应提供了额外的活性位点。XPS光谱揭示了催化剂的元素组成和化学状态，确认了Ni、Co、Fe、P和S元素的存在。电化学测量（包括线性扫描伏安法（LSV）和电化学阻抗谱（EIS）表明，与单独组分相比，复合催化剂表现出更强的OER活性。NiCo?S?@FeP在电流密度为500 mA/cm2时，过电位超过322 mV，并且在96小时内保持稳定性，使其成为高效且耐用的水分解应用的有希望的候选材料。
引言
近年来，由于对可持续和高效能源解决方案的需求不断增长，能源存储与转换成为研究热点[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。电化学分解水分子已成为一种可行的可持续氢气生成方法，是实现零二氧化碳排放能源系统和基于氢的经济的重要技术途径[8]、[9]、[10]、[11]。可持续能源系统的研究重点在于优化电化学过程，其中氧进化反应（OER）至关重要。OER对于水分解至关重要，但对反应速率的要求较高，需要较大的过电位[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。效率和经济可行性取决于能够降低过电位并改善反应动力学的OER电催化剂[17]、[18]、[19]、[20]。电化学水分解涉及阴极的氢气演化反应（HER）和阳极的OER，该方法高效且与可再生能源兼容[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。然而，OER的缓慢动力学需要高效的电催化剂来降低能量输入。虽然像IrO?和RuO?这样的贵金属催化剂效果显著，但它们的高成本和稀缺性促使人们寻找更丰富且经济的替代品[26]、[27]。
过渡金属硫属化合物因其独特的结构和电子特性而成为OER电催化的潜在候选材料[28]、[29]、[30]、[31]。这些材料，特别是Ni-Co硫属化合物，具有层状结构，有助于提高电子导电性和催化活性[32]。钴和镍在这些化合物中的协同作用增强了其整体性能，即使在OER的严苛条件下也能保持高密度的活性位点和结构稳定性[33]、[34]、[35]。硫属化合物和层状双氢氧化物的多功能组成和可调性质使其适用于多种催化应用，尤其是在水分解和超级电容器领域[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。为了提升硫属化合物的性能，一种策略是将过渡金属磷化物与其结合。像FeP和Fe?P这样的过渡金属磷化物由于其优异的导电性、高催化活性和强稳定性，在OER中表现出显著潜力[42]、[43]、[44]、[45]。将镍钴硫化物基质与过渡金属磷化物相结合的混合催化系统通过改善电荷传输路径、机械耐久性和原子级活性位点分布，提升了OER的动力学性能[46]、[47]。这些磷化物的独特电子结构（以金属-磷键为特征）促进了高效的电荷转移，并为氧生成提供了丰富的活性位点[42]、[48]、[49]。这使它们在碱性介质中非常有效，并成为大规模应用中贵金属催化剂的有力替代品。硫属化合物和磷化物之间的协同作用可以显著提高催化活性、稳定性和整体效率[50]、[51]。
本研究重点探讨了Ni-Co硫属化合物与FeP和Fe?P金属磷化物结合的催化性能。通过将这些磷化物整合到Ni-Co硫属化合物基质中，我们旨在利用两种材料的优势——提高电子导电性、增加活性位点密度和提升催化活性。本研究的独特之处在于将Ni-Co硫属化合物与FeP和Fe?P磷化物结合，生成了一种利用每种材料特性的混合电催化剂。虽然之前的研究已经探索了硫属化合物和磷化物单独用于OER，但这是首次将它们整合到单一复合材料中。这种新颖的方法有望实现催化性能的协同提升，从而获得比现有催化剂更好的性能指标，如更高的电流密度和更低的过电位。此外，这种材料的战略组合解决了与贵金属催化剂相关的成本和效率问题，有助于开发更可持续和经济的 water 分解技术。本文通过深入研究Ni-Co 硫属化合物与金属磷化物之间的相互作用，为电化学催化领域的发展奠定了基础。
材料
所有化合物均为分析级，无需进一步纯化即可使用。本研究中使用的物质包括：硝酸锰（Co(NO?)?·6H?O，98%，Sigma-Aldrich）、硝酸镍（Ni(NO?)?·6H?O，98%，Sigma-Aldrich）、硝酸铁（Fe(NO?)?·9H?O，98%，Sigma-Aldrich）、亚磷酸氢钠（NaH?PO?·H?O，98%，Sigma-Aldrich）、氢氧化钾（KOH，99.99%，Sigma-Aldrich）和硫脲（CH?N?S，99%，Sigma-Aldrich）。
NiCo?S?的电化学沉积
Ni-Co 硫属化合物通过循环电沉积法在镍基底上制备。
催化剂的表征
XRD 图谱提供了关于合成材料晶体结构和相组成的重要信息。图1和图2分别展示了NiCo?S?及其复合材料NiCo?S?@FeP和NiCo?S?@Fe?P的XRD图谱。纯NiCo?S?的XRD图谱显示了与其立方尖晶石结构相对应的特征衍射峰，这些峰的位置分别为2θ = 31.2°、38.3°、50.4°和55.2°，对应于(220)、(311)、(511)和(440)晶面。
结论
将FeP和Fe?P添加到Ni-Co 硫属化合物基质中显著提升了复合材料在氧进化反应（OER）中的催化性能。XRD图谱证实了FeP和Fe?P成功嵌入NiCo?S?基质中，而SEM图像显示了具有额外活性位点的独特形态特征。XPS分析进一步确认了合成催化剂的元素组成和化学状态。
CRediT作者贡献声明
阿尤什·佩努利（Ayush Painuly）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构思。
阿尔什迪普·辛格（Arshdeep Singh）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构思。
拉加文德拉·拉奥（Rao P S Raghavendra）：撰写——审阅
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢卡利德国王大学（King Khalid University）的研究与科学部通过项目编号RGP2/127/45提供的资助支持。
