蘇州大學Energ. Environ. Sci.：金屬有機框架為模板制備多級結構Ni-C復合材料及其高效水分解

【引言】

電解水的技術關鍵是獲得能夠釋放氫氣和氧氣的高性能、高性價比的催化劑。這些催化劑能夠有效地轉化和存儲不穩定的能源形式，為綠色能源的發展提供了解決方案。但是目前常用的催化劑都含有貴金屬，導致其成本較高，限制了其發展。本文發展了一種簡單的方法用以制備成本低廉、結構穩定性好并且性能高于Pt/C和RuO₂電極對的非摻雜Ni-C基催化劑。

【成果簡介】

近日，中國蘇州大學能源與材料創新研究院彭揚和鄧昭（共同通訊）作者等人，發現在商業鎳泡沫上，直接生長片狀Ni-MOFs并高溫退火后可以獲得高效、多級架構的Ni-C復合材料雙功能催化劑。在堿性電解液中，該材料對全水分解反應表現出顯著的催化活性，在超電位37 mV（對于HER）和265 mV（對于OER）時能提供10 mA cm^-2的電流密度。在1.60 V的電解電壓下，采用該雙功能催化劑建構的雙電極電解池，能提供35.9mA cm^-2的電流密度及超長的延續穩定性，顯著優于Pt/C||RuO₂電極對。這種優異的性能歸結于所制備的Ni-C復合材料多級結構之間的協同作用，從而有效促進催化反應的動力學。XRD和XPS分析表明，HER催化位點主要來自金屬Ni，而石墨碳包覆原位生長的氧化鎳/鎳核殼結構則是OER催化活性位點。相關成果以“Hierarchical Nickel-Carbon Structure Templated by Metal-Organic Frameworks for Efficient Overall Water Splitting”為題發表在Energy & Environmental Science上。

【圖文導讀】

圖 1 NF Ni(BDC)前驅體和NF @ Ni/C復合材料的制備過程示意圖

圖 2 Ni(BDC)和NF@Ni(BDC)的結構表征

（a）Ni(BDC)和NF@Ni(BDC)的XRD譜圖；

（b）氮氣中，Ni(BDC)的TG和DTG曲線圖；

（c-d）NF@Ni(BDC)的SEM圖像；

（e）Ni(BDC)的TEM圖像；

（f）Ni(BDC)AFM圖像和相應的的高度圖。

圖 3 不同Ni/C樣品的XRD、XPS及拉曼譜圖

（a）不同Ni/C樣品的XRD譜圖；

（b）Ni/C-600的Ni 2P_3/2的XPS譜圖；

（c）Ni/C-600的C 1s的XPS譜圖；

（d）Ni/C-400的Ni 2P_3/2的XPS譜圖；

（e）Ni/C-400的C 1s的XPS譜圖；

（f）不同Ni/C樣品的拉曼譜圖。

圖 4 Ni/C-600的結構表征

（a-b）Ni/C-600的SEM圖像；

（c）Ni/C-600的元素Mapping圖；

（d-e）Ni/C-600的TEM圖像（插入：Ni NPs的HRTEM圖像）；

（f）Ni/C-600的AFM圖像及其對應的高度圖。

圖 5 NF@Ni/C和NF@Pt/C的催化性能圖

（a）NF@Ni/C和NF@Pt/C的HER極化曲線圖；

（b）是（a）對應的Tafel曲線圖；

（c）在常壓-0.1 V下，NF@Ni/C的EIS譜圖；

（d）NF@Ni/C和NFRuO₂的OER極化曲線圖；

（e）是（d）對應的Tafel曲線圖；

（f）在常壓1.53 V下，NF@Ni/C的EIS譜圖。

圖 6 NF@Ni/C-600，Pt/C-RuO2和NF電極對的水分解性能圖

（a）NF@Ni/C-600，Pt/C-RuO₂和NF電極對的整體水分解性能圖；

（b）在1.60 V的電壓下，NF@Ni/C-600和Pt/C-RuO₂電極耦合的計時電流曲線圖（插圖：NF@Ni/C-600電極對產生H₂和O₂的光學照片）。

【小結】

本文發現了一種簡便且可控的Ni-C復合結構合成策略，通過在泡沫鎳表面原位生長二維含有金屬顆粒的非摻雜碳材料，從而制備高效雙功能和非貴金屬基電催化劑，即將鎳基MOF前驅體熱處理，獲得可以在堿性溶液中，促進水分解的催化劑。這個復合材料為多孔泡沫鎳、超薄MOF衍生納米片以及石墨烯和CNT包裹的鎳納米顆粒組裝而成的多級架構的催化劑，在600oC （NF@Ni/C-600）煅燒后表現出最優的催化活性，分別在HER過電勢37 mV和OER過電勢265 mV下提供10mA cm^-2的電流密度。同時，由于泡沫鎳的高效的電流收集能力，獲得了高電流密度，實現了歐姆損失最小。在全分解水時，NF@Ni/C-600電極對只需要1.60 V的電池電壓，即可獲得35.9 mA cm^-2的電流密度，這甚至比Pt(20％)/C和RuO₂組成的電極對高。更重要的是，在如此高的電流密度下，NF@Ni/C-600的催化活性，仍能保持70 h以上而不會降解。XRD和XPS分析表明，HER催化位點主要來自金屬Ni，而石墨碳包覆原位生長的氧化鎳/鎳核殼結構則是OER催化活性位點。NF@Ni/C復合材料具有成本低、活性高和穩定性好的特點，在實現有效的總體水分解中，為實現取代貴金屬基電催化劑提供了一種較具吸引力的解決方案。

文獻鏈接：Hierarchical Nickel-Carbon Structure Templated by Metal-Organic Frameworks for Efficient Overall Water Splitting（Energ. Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE00934A）。

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