氢气是一种绿色清洁的能源载体。电解水制氢是采用太阳能、风能等可再生能源产生电能驱动反应的发生，是一种有前景的技术。然而，由于阳极析氧反应（OER）缓慢的动力学，导致电解水制氢只有较低的能量效率，因此需要开发高效的OER电催化剂。NiFe氢氧化物材料被认为是最具潜力的高效廉价的碱性OER电催化剂之一。近年来相关研究工作表明，引入第三种过渡金属(如Co、Cr、Al、Mo、W等)是一种有效提升NiFe氢氧化物OER性能的策略。
近期，我司赵长生教授研究团队，报道了一种界面原子替代策略：合成NiFeV纳米纤维用于OER催化。研究发现，V的原子替代生长，可以最大化V原子对Fe、Ni原子价态的提升作用，增加高价Fe原子比例，增强反应动力学，降低反应过电位，最终实现OER性能的提升。该NiFeV纳米纤维催化剂在OER催化中展现出优异的催化活性，达到10 mA/cm2电流密度所需要的过电位仅为263 mV，明显优于一锅法合成的NiFeV材料（337 mV）。特别是当催化剂负载在碳布表面，其催化性能可以进一步提升，过电位仅为181 mV（10 mA cm−2），在100 mA cm−2的大电流条件下可持续稳定工作20小时以上。
图1.界面原子替代法制备NiFeV纳米纤维示意图
在本研究中，研究人员首先制备了V3O7纳米纤维作为模板和V源。在NiFeV纳米纤维生长过程中，V3O7可以逐渐释放V原子，并逐渐替代掺杂到纳米纤维表层生长的NiFe氢氧化物中。电子结构分析表明，相对于“V原子一锅法”产物(NiFeV)，界面V原子替代生长法的产物(NiFeV nanofibers)能更加有效地降低V结合能，NiFe结合能升高，NiFe (特别是Fe)向V的电荷转移使得催化剂中Fe处于高价态（＞3+），说明界面V原子替代生长法更有利于NiFe活性位点价态调控。电化学测试结果表明，相比于NiFeV，NiFeV纳米纤维具有更低的过电位（η10=263 mV）、更快动力学(Tafel斜率：62 mV dec-1)、更好的本征活性(TOF值是NiFeV的4.3倍)、更好的导电性以及更大的电化学活性表面积。充分体现了利用界面V原子替代策略合成V掺杂NiFe氢氧化物对于OER性能提升的优越性。
图2. NiFeV纳米纤维的形貌结构表征
图3. OER催化性能表征(1M KOH; RDE电极)
当催化剂负载在碳布表面，NiFeV nanofibers/CC催化性能可以进一步提升至181 mV（10 mA cm−2），在100 mA cm−2的大电流条件下可持续稳定工作20小时以上。组装的简易电解水器件中，原子替代的NiFeV nanofibers展现出超越商业贵金属RuO2催化剂的性能，也优于目前大部分文献报道的非贵金属电解水催化体系。器件在1.5V AA电池的驱动下，可以实现稳定持续的氢气产出。
论文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202115331
Interfacial Atom-Substitution Engineered Transition-Metal Hydroxide Nanofibers with High-Valence Fe for Efficient Electrochemical Water Oxidation
Ben Zhang, Zihe Wu, Wenjie Shao, Yun Gao, Weiwen Wang, Tian Ma, Lang Ma, Shuang Li, Chong Cheng, Changsheng Zhao
Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202115331
撰稿：程冲
编辑：杨燕玲
审核：刘向阳
