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《Energy Materials》:Hierarchical polypyrrole-pillared Na2V6O16 architectures enabling high-rate and stable aqueous zinc storage

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年11月03日 来源:Energy Materials 11.9

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  碱性水电解(alkaline water electrolysis)为规模化制氢提供了可行路径,但其效率受限于析氢反应(HER)与析氧反应(OER)缓慢的反应动力学。研究人员设计了一种分级复合电催化剂,由铱掺杂镍钴磷化物纳米颗粒(Ir-NiCoP/Ni5P4)

  
碱性水电解(alkaline water electrolysis)为规模化制氢提供了可行路径,但其效率受限于析氢反应(HER)与析氧反应(OER)缓慢的反应动力学。研究人员设计了一种分级复合电催化剂,由铱掺杂镍钴磷化物纳米颗粒(Ir-NiCoP/Ni5P4)封装于镍铁层状双氢氧化物(NiFe-LDH)纳米片构成,并经由硼氢化钠还原在表面构筑氧空位(OV),优化样品记为 Ir-NiCoP/Ni5P4@NiFe-LDH-1-OV。该催化剂在 10 mA cm-2 下分别给出 52.7 mV(HER)与 197.3 mV(OER)的过低电位,全解水运行 100 h 仍保持优异稳定性;在 1 M KOH + NH3·H2O 体系中,对 HER 与氨氧化反应(AOR)过电位分别为 76.7 mV 与 101.3 mV。
研究背景与问题提出
碱性水电解是大规模绿氢制备的重要路线,但 HER 与 OER 本征动力学迟缓,导致高过电位与低能量效率。传统贵金属催化剂成本高,而非贵金属催化剂常面临导电性差、活性位点不足与稳定性受限等问题。如何在非贵金属体系中协同优化电子传输、暴露高效活性位点并维持长期稳定,是该领域亟待解决的核心问题。
研究内容与结论意义
研究人员提出“铱掺杂+磷化物核壳+表界面氧空位”的协同策略,构建 Ir-NiCoP/Ni5P4@NiFe-LDH 分级复合材料。该设计以磷化物核提供高导电骨架,NiFe-LDH 壳层提供丰富羟基化活性界面,Ir 掺杂调节电子结构,表面氧空位进一步活化中间体吸附。论文发表于《Energy Materials》,结果表明该催化剂在 HER、OER 及耦合全解水/氨氧化辅助体系中均表现出低过电位与长时稳定性,为低成本高效电解水催化剂设计提供了新思路。
主要关键技术方法
研究人员采用纳米复合构筑与表界面缺陷工程:通过 Ir 掺杂调控 NiCoP/Ni5P4 电子结构,以 NiFe-LDH 纳米片封装形成核壳分级结构;利用硼氢化钠还原在表界面引入氧空位。结合结构表征与电化学测试,并在 1 M KOH 及含氨体系中对 HER、OER、AOR 与全解水性能进行系统评估。
研究结果
引言(INTRODUCTION)
综述碱性电解水瓶颈与复合电催化剂研究现状,明确通过掺杂与氧空位协同提升活性的研究动机。
催化剂设计与结构表征
通过物相、形貌与价态表征确认 Ir 成功掺入磷化物,LDH 纳米片均匀包覆,表面存在氧空位;分级结构利于质量传递与活性位点暴露。
电催化 HER 性能
在三电极体系评估显示,优化催化剂在 10 mA cm-2 下 HER 过电位仅 52.7 mV,塔菲尔斜率降低,电荷转移电阻减小,说明电子转移动力学显著增强。
电催化 OER 性能
同电流密度下 OER 过电位为 197.3 mV,高电流区保持线性响应,表明活性位点本征活性提升。
全解水与稳定性
两电极全解水器件在低电压下达到目标电流,连续运行 100 h 后性能衰减可忽略;LDH 壳层与氧空位有效抑制磷化物氧化流失。
氨氧化辅助体系性能
在 1 M KOH + NH3·H2O 中,HER 与 AOR 过电位分别为 76.7 mV 与 101.3 mV,证明该催化剂在耦合制氢-氨氧化场景中具应用潜力。
讨论与结论(翻译浓缩)
讨论部分指出,Ir 掺杂优化 d 带中心,氧空位调节含氧中间体吸附能,核壳结构兼顾导电性与稳定性。结论:Ir-NiCoP/Ni5P4@NiFe-LDH-1-OV 通过多尺度协同实现高效稳定全解水;该缺陷工程与分级封装策略可推广至其他非贵金属电催化剂设计。
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