镍铁基析氧催化剂Ni位点的电子结构调控及析氧性能研究

Hydrogen production via electrocatalytic water splitting is an important procedure to realize efficient utilization of renewable clean energy. The traditional oxygen evolution catalyst is not only expensive but also not excellent in performance, which limits the industrial application of electrocatalytic hydrogen production. Therefore, it is particularly necessary to seek abundant and efficient oxygen evolution catalysts. The transition metal Fe has attracted the attention of researchers for its low price, but its oxygen activity and stability are poor. NiFe bimetal-based catalysts usually show enhanced water oxidation activity. Nevertheless, the presence of Fe seriously affects the electronic structure of Ni, hinders the form of high state Ni species and inhibits the activity of Fe species. Therefore, regulating the electronic structure of Ni and thus promoting the performance of Fe species is a difficult problem to be solved urgently. In this project, the asynchronous oxidation activation strategy will be applied to regulate the electronic structure of Ni and get the high-valence Ni. The three-dimensional structure should be fabricated and further optimize the microstructure to enhance the conductivity and hydrophilia of NiFe bimetal catalyst. The catalytic reaction mechanism of the catalyst needs to be clarified to provide guidance for the further optimization design of the catalyst.

电解水制氢是实现太阳能等可再生性清洁能源高效利用的重要途径，传统的析氧反应催化剂不仅价格昂贵而且性能不够优异，限制了电解水制氢的工业应用，因此，寻求廉价、高效的电解水催化剂尤为必要。过渡金属Fe以其低廉的价格引起研究者的广泛关注，但其析氧活性和稳定性较差。通过Ni元素掺杂制备NiFe双金属催化剂能够改善析氧性能，但NiFe双金属体系Fe的存在严重影响Ni的电子结构，抑制高价态Ni物种的形成，进而抑制Fe活性位的催化。因此，调控Ni的电子结构，促进Fe活性物种催化是NiFe析氧催化体系亟待解决的难题。本项目拟通过分步制备、异步氧化活化的策略，对NiFe析氧催化剂活性位Ni电子结构进行调控，获得高价态Ni活性物种；构建三维纳米电极结构，优化催化剂微观结构及表面性质，制备具有高活性、高导电性、亲水疏气特性的NiFe双金属催化剂，同时阐明其催化反应机理，为催化剂的进一步优化设计提供指导。

随着能源消费总量的不断提高以及工业生产所带来的环境污染日益严重，开发新型的可替代能源迫在眉睫。氢能作为一种二次能源载体，以其无毒、来源丰富、利用形式多样等特点受到广泛关注。目前，尽管新能源的成本持续下降，但其在利用过程中（如：风力发电等）仍会造成部分产能过剩，因而，考虑将氢燃料的生产与发电等在电厂中集成，使得过剩电力得到有效存储和利用，对节能减排以及环境防治具有重大意义。然而，电解水制氢在热力学上处于爬坡过程，特别是析氧（OER）过程涉及四电子转移反应而成为电解水制氢的主要限速步骤，因此需要催化剂来降低反应能垒。本项目采用构筑空位、构建核壳结构、元素掺杂以及预氧化的策略来对NiFe基催化剂进行调控，主要研究内容包括在含有Co(OH)2纳米片的NF上电沉积NiFe基催化剂，通过调控NiFe沉积方式来构建一种多元素的纳米阵列OER催化剂；在缺陷丰富的单层NiFe-LDHs上进一步负载IrO2纳米颗粒，得到催化活性优异的催化剂；合理地对催化剂的结构和形貌设计，成功地构建了FeOOH修饰Ni(OH)2夹心中空纳米棒阵列复合催化剂；采用简单的预氧化策略在NiFe基催化剂中获得易于氧化的Ni2+，获得的无定形NiFeOxHy在近中性电解质中表现出良好的OER活性；在Ni纳米管阵列上耦合NiFe-LDH构建3D异质结催化剂；Fe3+调控镍铁基纳米棒阵列催化剂。通过XRS、Raman、FT-IR、SEM、EDS、TEM、XPS等表征手段对所制备系列催化剂进行结构、形貌、组成及价态等分析，优化催化剂微观结构及表面性质，并在三电极体系下对催化剂进行电化学性能测试，阐明了其催化反应机理，为电解水制氢催化剂的优化设计提供了指导，促进了电解水制氢技术的发展。