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【用于高电流密度析氢反应的 Ni/NiO@MoO3?x 复合纳米阵列的合成】
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1简介
日益增长的能源需求在低成本、高效率和环境友好的能量转换系统领域引起了广泛的研究关注 ， 例如基于碱性电解液电解水的氢经济 。 然而 ， 较差的阴极析氢反应（HER）仍然是电化学制氢的瓶颈 ， 这严重降低了碱性电解液中水电解的整体性能 ， 特别是在高电流密度条件下（至少100 mA cm-2） 。 因此 ， 人们致力于设计高活性的HER电催化剂 。 虽然铂（Pt）基电催化剂由于其适度的氢吸附/解吸能力而呈现出优异的催化性能 ， 但其成本高、稀缺的缺点严重阻碍了其实际应用 。 在过去的几年中 ， 人们探索了基于非贵金属的替代电催化剂 。 特别是镍（Ni）基材料 ， 如硫族化物、磷化物、氮化物、合金等 ， 由于具有成本低、储量丰富、氢吸附能相对合适等优点而备受关注 。
复旦大学 ， 华东师范大学
在致力于提高镍基电催化剂的HER活性的这些努力中 ， 已经证实在纳米级定制催化Ni复合材料可以通过协同效应有效地调节中间吸附/解吸性能 。 例如 ， 具有协同活性位点的纳米级氧化镍/镍复合材料(NiO/Ni-CNT)可加速中间体解吸 ， 并在碱性电解质中表现出显着提高的HER活性 。 然而 ， 在高电流密度条件下开发具有更好性能的镍基复合材料仍然遇到瓶颈 。 这可能是由于碱性HER工艺 ， 特别是在工业高电流密度条件下 ， 主要涉及复杂的中间步骤和缓慢的反应物扩散/气泡分离 ， 因此决定了整个HER性能 。 同时 ， 很少有研究报道了既能优化整体中间能垒 ， 又能加速反应物扩散/气泡分离的镍基复合材料的设计 。 因此 ， 探索旨在加速缓慢反应动力学和限制反应物扩散动力学的高活性镍基复合材料是一种很有前景的策略 ， 可以显着提高镍基复合材料的碱性高电流密度HER电催化剂性能 。
在这项工作中 ， 我们通过适度还原策略合成了由Ni/NiO纳米颗粒（≈20 nm）和非晶MoO3-x纳米棒阵列组成的Ni/NiO@MoO3-x复合纳米阵列 。 值得注意的是 ， Ni/NiO@MoO3-x复合纳米阵列不仅含有暴露的协同位点 ， 可以促进碱性HER动力学 ， 而且构建了有利于周围反应物扩散和气泡分离的纳米棒阵列结构 。 因此 ， Ni/NiO@MoO3-x纳米阵列对碱性HER具有高活性 ， 具有7 mV的低过电位和34 mV dec-1的Tafel斜率 。 此外 ， Ni/NiO@MoO3-x纳米阵列仅需要75和112 mV的过电位即可分别提供100和200 mA cm-2的HER电流密度 。 此外 ， Ni/NiO@MoO3-x纳米阵列可以在高电流密度（100 mA cm-2）下稳定运行40小时以上 ， 远优于商业Pt/C 。 综合实验和计算结果证实 ， 这种Ni/NiO@MoO3-x复合纳米阵列可以协同优化复杂中间步骤的反应能垒 ， 增强亲水性 ， 降低气泡粘附力 ， 从而加速碱性HER的反应和扩散动力学 。 高电流密度条件 。 我们预计 ， 这种具有加速反应和扩散动力学的Ni/NiO@MoO3-x纳米阵列将为工业高电流密度条件下的可持续能量转换系统提供前沿示例 。
图1
a）示意图制备 ， b ， c）FESEM图像 ， d）TEM图像 ， e）HRTEM图像 ， f）Ni/NiO@MoO3-x纳米棒的EDX元素映射图像 。
图2
ad) Ni@MoO3-x be) Ni/NiO@MoO3-xcf)和NiO@MoO3的高分辨率a-c) Ni 2p和d-f) Mo 3d XPS光谱-x 。
图3
a) Ni K-edge XANES和b) Ni、NiO、NiMoO4和Ni/NiO@MoO3-x的相应EXAFS光谱 。 c) MoK-edgeXANES和d) MoO2、MoO3、NiMoO4和Ni/NiO@MoO3-x的相应EXAFS光谱 。
图4
a) iR补偿的LSV极化曲线 ， b) Tafel斜率 ， c) EIS曲线 ， 和d) Ni/NiO@MoO3?x、NiO@MoO3?x、Ni@MoO3?x、NiMoO4前驱体的Cdl图 ， Ni/NiO和商业Pt/C催化剂 。 e)Ni/NiO@MoO3?x的HER法拉第效率和f)稳定性测试 。 g) Ni/NiO@MoO3-x和Pt/C电极在100 mA cm-2电流密度下40h的高电流稳定性测试 。
图5
a)建立的用于密度函数理论(DFT)计算的Ni/NiO@MoO3?x模型 ， 蓝色、浅绿色、红色和白色球代表Ni、Mo、O和H原子 。 Ni/NiO@MoO3?x模型的b)顶视图和c)侧视图的电荷分布 。 d) Ni、MoO3-x、NiO@MoO3-x和Ni/NiO@MoO3-x的碱性HER吸附自由能图 。 e)部分D2O吸附的FT-IR光谱 ， f)水蒸气吸附等温线和g) Ni/NiO@MoO3-x、NiO@MoO3-x、Ni@的N2饱和1.0 M KOH中的阳极LSV曲线MoO3-x和Ni/NiO催化剂 。
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