原位制备自支撑NiFe PBA@MoS2电极,用于高效氧气析出反应

时间:2026年5月16日
来源:Journal of Alloys and Compounds

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林俊杰|李浩|唐星月|王晓莲成都大学机械工程学院,中国成都610106摘要氧演化反应(OER)仍然是水电解和金属-空气电池中的关键动力学瓶颈,这些电池仍然严重依赖贵金属基催化剂。在这里,通过原位将NiFe普鲁士蓝类似物纳米颗粒负载到经过MoS2纳米花改性的镍泡沫上,制备了一种无粘

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林俊杰|李浩|唐星月|王晓莲
成都大学机械工程学院,中国成都610106

摘要

氧演化反应(OER)仍然是水电解和金属-空气电池中的关键动力学瓶颈,这些电池仍然严重依赖贵金属基催化剂。在这里,通过原位将NiFe普鲁士蓝类似物纳米颗粒负载到经过MoS2纳米花改性的镍泡沫上,制备了一种无粘结剂的自立NiFe PBA@MoS2电极。这种双金属PBA提供了可调的Ni2+/Ni3+和Fe2+/Fe3+氧化还原位点,而MoS2作为高分散支撑材料,扩大了活性界面。结构和光谱分析证实了异质结构的成功形成,以及NiFe PBA向MoS2的界面电子重分布和组分之间的紧密接触。得益于这种协同架构,该电极在10 mA cm-2电流密度下仅需要198 mV的过电位,塔菲尔斜率为72.5 mV dec-1,并且具有优异的稳定性。这项工作为开发高性能、非贵金属催化电极以应用于可持续能源提供了可行的策略。

引言

为应对化石燃料枯竭和全球气候变化,可持续能源转换和存储技术(包括燃料电池、金属-空气电池,特别是用于氢气生产的水电解)得到了快速发展[1]、[2]、[3]。其中,电化学水分解被认为是利用可再生能源生成高纯度氢气最有前景的方法之一[4]。然而,其整体效率受到动力学缓慢的阳极氧演化反应(OER,4OH⁻ → O2 + 2H2O + 4e⁻)的严重限制。这一四电子转移过程具有较高的活化能垒,通常需要较大的过电位才能进行[5]、[6]。因此,设计和开发高效、稳定且低成本的OER电催化剂已成为研究的重点[7]、[8]、[9]。
尽管基于贵金属(如RuO2和IrO22等离子体刻蚀方法在镍泡沫上重构NiFe PBA,形成了暴露更多活性界面并稳定高自旋Fe3+物种的中孔网络[25];另一项研究还表明,在阳极条件下,PBAs在OER操作过程中会发生体相重构,生成高活性的M(O)OH相[26]。此外,等离子体处理[27]、酸刻蚀[28]和配位缺陷工程[29]也被用来进一步调节PBAs的形态和电子结构,提高其催化活性[30]、[31]。然而,PBAs通常在长期运行中存在导电性差和结构崩塌的问题,这是其实际应用的主要障碍。为了克服这些缺点,将PBAs与高导电性支撑材料结合已被证明是一种有效策略[32]、[33]、[34]、[35]。
二硫化钼(MoS2)是一种典型的层状过渡金属硫属化合物(TMD),由于其独特的层状结构和丰富的边缘位点以及良好的化学稳定性,在电催化领域得到了广泛研究[36]、[37]。MoS2的基面相对惰性,但边缘位点对OER中间体具有适中的吸附能;因此,通过形态工程(如纳米花、纳米片阵列)可以暴露更多的边缘位点并提高催化活性[38]。此外,通过相工程(如1T金属相[39])、杂原子掺杂(如Ni、Co、V[40]、[41])以及与导电碳材料的结合[42],可以显著提高MoS2的导电性。此外,使用MoS2作为其他活性组分的支撑材料可以创建强相互作用的异质界面,促进电荷转移并优化反应中间体的吸附自由能[43]。最近的研究表明,MoS2本身可以通过多种策略被激活用于OER。Wang等人报告称,Ce掺杂在MoS2中诱导形成了1T/2H双相和层次化的花状纳米片结构,暴露了丰富的活性位点,促进了高效的OER电催化[44];Upadhyay等人通过DFT表明,钒掺杂降低了MoS2的电子带隙,使其转变为导电相,显著提高了其催化活性[41]。此外,MoS2与其他功能组分之间的异质结构构建也得到了广泛探索。FNC@MoS2/CC异质催化剂被巧妙设计用于引导动态表面重构,在10 mA cm-2电流密度下实现了188 mV的超低过电位,并在100小时内表现出出色的稳定性[45];同样,Co、P共掺杂的MoS2/NiO异质结构也被报道可以促进电子转移并显著提高碱性水电解性能[46]。这些研究一致表明,构建具有高效电荷转移的坚固MoS2基异质结构是实现优异OER性能的有效策略。
在这项研究中,通过将NiFe双金属普鲁士蓝类似物(PBA)纳米颗粒均匀负载到MoS2纳米花的表面上,设计并制备了一种镍泡沫支撑的复合电极(NiFe PBA@MoS2)。合成过程首先通过水热法在镍泡沫上生长MoS2,然后通过直接共沉淀法整合NiFe PBA。MoS2支架不仅提供了高比表面积和理想的分散平台,还作为导电基底促进了高效的电荷传输。同时,双金属PBA提供了丰富的氧化还原活性中心和有益的金属间电子相互作用。这种复合架构促进了电子和离子的快速迁移,增加了催化活性位点的密度,并在OER操作条件下增强了结构稳定性。

章节片段

实验程序

如方案1所示,MoS2负载的自支撑镍泡沫电极(MoS2/NF)是通过水热法合成的。首先,用去离子水和稀酸依次清洗镍泡沫基底,以去除表面氧化层。这种预处理防止了随后高温水热过程中镍泡沫的副反应,并确保了MoS2在干净的镍基底上的异质成核和直接生长。

结构和形态表征

根据上述程序,这种集成旨在结合MoS2的高表面积和优异的导电性与PBA颗粒的丰富活性位点。此外,镍泡沫的三维(3D)多孔网络具有高比表面积和孔隙率,有效利用了复合材料的协同优势[47]、[48]。
如图1a-c所示,低倍率SEM图像(刻度尺:1 µm)显示

结论

总之,我们通过水热生长MoS2然后在室温下沉淀NiFe PBA,成功制备了一种自立式的NiFe PBA@MoS2/NF电极。紧密的异质界面促进了NiFe PBA向MoS2的电子转移,这一点通过XPS得到了证实,优化了Ni活性位的电子结构。这种协同集成结合了MoS2的高导电性和分散能力以及双金属PBA的丰富氧化还原活性中心,从而

CRediT作者贡献声明

李浩:撰写 – 审稿与编辑、验证、软件、实验。林俊杰:撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、实验、形式分析。王晓莲:撰写 – 审稿与编辑、软件、项目管理、资金获取、概念化。唐星月:软件、资源获取、项目管理、形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。

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