碱性水电解用NiFeOxHy涂层镍泡沫电催化剂的简易硝酸铁喷雾制备及原位NAP-XPS表征研究

《ACS Applied Energy Materials》：Facile Ferric Nitrate Spray Fabrication and In Situ NAP-XPS Investigation of NiFeOxHy-Coated Nickel Foam Electrocatalysts for Alkaline Water Electrolysis

　　

摘要

开发高效且可扩展的氧析出反应电催化剂对于推动碱性水电解技术的发展至关重要。在本研究中，我们提出了一种简便的喷涂方法，利用不同浓度和反应时间的水性Fe(NO₃)₃溶液来制备涂有NiFeO_xH_y-层的镍泡沫电极。通过扫描电子显微镜和近环境压力X射线光电子能谱对电极表面及化学成分进行表征后发现，Fe(NO₃)₃处理会侵蚀镍泡沫电极的表面，同时促进NiFeO_xH_y层的形成。NAP-XPS分析表明，该层由混合氧化物和(氧)氢氧化物组成，其中铁含量的增加能够抑制镍的氧化，并通过铁原子所具有的吸电子效应，使高价态镍物种在相对较高的阳极电位下仍能保持稳定。在三电极体系中的电化学测试结果显示，与未经处理的镍泡沫电极相比，较高浓度的Fe(NO₃)₃可使氧析出反应的过电势降低多达42%。研究结果表明，一旦达到一定的铁含量阈值，性能的提升主要得益于表面积的增加。在工业条件（30 wt % KOH，90 °C）下的单电池测试证实，性能提升取决于Fe(NO₃)₃的浓度而非反应时间，经过1000 mM浓度溶液处理的电极可实现约200 mV的电压降。经过800小时的长期测试后，电极的初始降解现象趋于稳定，这说明其结构十分稳固。此外，本研究还强调了在接近工业条件的环境下评估电催化剂的重要性，这样才能准确判断它们的实际应用前景。