Ni-Fe-Mo-P纳米多孔合金的制备及对其双功能电解水催化性能的研究

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通过电化学水分解生产氢气被认为是实现未来能源可持续发展的最有前途的方法之一。该技术大规模应用的关键是开发低成本的高效电催化剂来代替贵金属基催化剂。含量丰富的过渡金属基双功能电解水催化剂因为能同时增强析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的催化活性及简化水分解系统而受到广泛关注。然而制备具有优异性能的双功能电催化剂仍然是一个巨大挑战。过渡金属磷化物被认为是潜在的双功能催化剂,但是存在金属活性位点少、电化学活性面积小、稳定性较差等缺点。本文通过真空激冷法和脱合金法制成多孔合金条带,可直接作为电极使用,电催化性能和稳定性都表现出色。我们的研究工作为过渡金属基双功能电解水催化剂的制备提供了新的思路。我们通过真空激冷法制备了Ni45Fe40Mo(x=0,3,10,17)P5前驱体条带,在1 M HNO3中脱合金后得到了具有多孔结构的NiFeMoP合金条带。Mo的添加不仅有利于条带机械强度的提升,还极大改善了多孔条带的HER和OER催化性能。随着Mo含量的增加,条带中Mo2Ni3P金属磷化物增多,电催化性能先提高后降低。10 at%的Mo加入量时电催化性能最好。接着以Ni(x=63,56,45)Fe85-xMo10P5合金条带为前驱体,在1 M HNO3中脱合金处理后制备了具有多孔结构的NiFeMoP合金条带。结果表明,随着镍铁比例降低,合金条带在电水解中的电化学活性面积逐渐增加,前驱体条带的Ni/Fe比为45:40时,双层电容(Cdl)最大为74.67 m F·cm-2,且在HER和OER中具有最佳催化性能。经过上述的研究发现,原子比例为Ni45Fe40Mo10P5前驱体条带经脱合金后具有最佳电化学性能。Ni45Fe40Mo10P5前驱体条带条带在1 M HNO3中经脱合金70 min后会得到完全贯穿的三维纳米多孔结构。随着铜辊转速升高,前驱体条带中镍铁固溶体含量会降低,脱合金孔洞直径会逐渐变小。转速越低,条带的比表面积越大,同时条带的析氢和析氧催化性能越强。2500 rpm的Ni45Fe40Mo10P5脱合金后具有最佳催化性能。脱合金后制得的np-NiFeMoP相比于Ni45Fe40Mo10P5前驱体条带,具有更大的电化学活性面积和HER、OER中更低的过电位。在1 M KOH中,当电流密度为10 m A·cm-2时,np-NiFeMoP的HER过电位为223 mV,对应塔菲尔斜率为180.3 mV·dec-1。当电流密度为20 m A·cm-2。np-NiFeMoP的OER过电位为197 mV,对应塔菲尔斜率为41.2 mV·dec-1。np-NiFeMoP同时作为阴极和阳极用于水分解时,仅需要1.41 V的电池电压。并能在20m A·cm-2电流密度下稳定运行40小时。np-NiFeMoP良好的催化活性归因于脱合金后在样品中形成的连续纳米孔结构,以及金属磷化物和NixFe1-xOOH的协同作用。
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