氫氣(H₂)因其無污染和高能量密度等優(yōu)點(diǎn)在未來能源中占有重要地位。利用可再生能源，如光伏、風(fēng)能和水力發(fā)電進(jìn)行電解水是一種高效的產(chǎn)氫方法。在過去的幾十年里，Pt/C和RuO₂被認(rèn)為是析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)最優(yōu)的催化劑。

然而，貴金屬的稀缺性和高價(jià)格等特點(diǎn)阻礙了其進(jìn)一步的商業(yè)應(yīng)用。因此，開發(fā)大規(guī)模、低能耗、高穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑用于全水解尤其適合工業(yè)應(yīng)用，這也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

基于此，青島科技大學(xué)吳則星和王磊(共同通訊)等人通過環(huán)境腐蝕工程和低溫氮化，原位制備了Fe-Ni基化合物(Fe-Ni-O-N)催化劑。

首先評(píng)估了不同催化劑在1 M KOH淡水中的OER活性。Fe-Ni-O-N催化劑具有最優(yōu)的OER性能，僅需要189、206、260、280 mV的過電位就能達(dá)到10、50、500、1000 mA cm^-2的電流密度，低于NiFe LDH(280、313、320、350 mV)、RuO₂(307、352、420、450 mV)和NiFe(348、408、460、510 mV)，說明氮化工藝可以有效的優(yōu)化催化劑的OER性能。

此外，F(xiàn)e-Ni-O-N的Tafel斜率為25 mV dec^-1，相對(duì)于NiFe LDH (34 mV dec^-1)、RuO₂ (47 mV dec^-1)和NiFe (54 mV dec^-1)，F(xiàn)e-Ni-O-N具有較快的催化動(dòng)力學(xué)。

這是由于豐富的納米片組成的花朵狀形態(tài)為Fe-Ni-O-N催化劑提供了豐富的表面積和快速的電子傳遞速率，可以提高堿性淡水中的OER性能。由于Fe-Ni-O-N在堿性淡水中具有良好的OER催化活性，在堿性海水中也進(jìn)行了催化性能的研究。

在堿性海水中，F(xiàn)e-Ni-O-N同樣通過最小的過電位190、235、270和289 mV就能達(dá)到10、50、500和1000 mA cm^-2的電流密度。此外，F(xiàn)e-Ni-O-N的Tafel斜率(41 mV decl ^-1)相對(duì)于其他催化劑最小，驗(yàn)證了其快速且有利的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。值得注意的是，F(xiàn)e-Ni-O-N的催化性能優(yōu)于其他報(bào)道的催化劑。

Fe-Ni-O-N在堿性海水中具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，電流損耗可忽略不計(jì)。它還可以在500 mA cm^-2的電流密度下穩(wěn)定工作40小時(shí)，表明其在實(shí)際應(yīng)用的可行性。

除了OER活性，催化劑在堿性電解質(zhì)中的HER電催化活性也同樣進(jìn)行了評(píng)估。然而，F(xiàn)e-Ni-O-N的電催化HER性能不理想，然后引入了微量的Ru來提高反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

引入Ru后，Ru/Fe-Ni-O-N表現(xiàn)出優(yōu)異的HER活性，在10 mA cm^-2和50 mA cm^-2的電流密度下過電位僅為42和185 mV，優(yōu)于FeNi-O-N(194和328 mV)、NiFe LDH(196和287 mV)和NiFe(273和342 mV)。

此外，F(xiàn)eNi-O-N和Ru/Fe-Ni-O-N催化劑分別作為陽極和陰極用于堿性淡水和海水中的全水解。FeNi-O-N||Ru/Fe-Ni-O-N在1 M KOH的電解質(zhì)中僅需要1.87 V就可以驅(qū)動(dòng)500 mA cm^-2的電流密度。在60℃的6 M KOH淡水中達(dá)到500和1000 mA cm^-2的電流密度分別需要1.69 V和1.75 V。

在堿性海水中，Ru/Fe-Ni-O-N||Fe-Ni-O-N在10和500 mA cm^-2時(shí)的電壓為1.54和1.90 V，均展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。本研究為通過腐蝕工程設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)高電流密度的海水電解電催化劑提供了參考，也為大規(guī)模生產(chǎn)氫氣的電解海水策略提供了切實(shí)可行的思路。

Corrosive engineering assisted to in-situ construct Fe-Ni-based compound for industrial overall water-splitting under large-current density in alkaline fresh water and seawater Media, Journal of Materials Chemistry A, 2022, DOI: 10.1039/d2ta07586e.

https://doi.org/10.1039/D2TA07586E.