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三維核殼結(jié)構(gòu)Cu納米線@NiFe LDH納米片：高效的雙功能全分解水電催化劑

來源: X-MOL 2017-08-08 11:53:50

氫氣具有燃燒熱值高、清潔無污染和可利用形式多樣等諸多優(yōu)點，是一種理想的能源載體。電解水是一種清潔、可持續(xù)大規(guī)模制備氫氣的方法。電解水反應包括產(chǎn)氫（HER）和析氧（OER）兩個半反應。其中，降低產(chǎn)氫和析氧反應的過電位是目前研究的技術難題，關系到相關技術是否可以進行實際應用。迄今為止，貴金屬Pt和RuO2/IrO2分別是公認的非常高效的HER和OER催化劑材料，但其較高的成本和有限的資源限制了這些材料的廣泛應用。另一方面，目前報道的大部分催化劑只能單一地在酸性電解液里催化HER或者在堿性電解液里催化OER，用于全分解水的性能仍不能令人滿意。因此，發(fā)展非貴金屬雙功能水分解電催化劑成為近幾年的研究熱點。

最近，美國休斯頓大學的任志鋒（點擊查看介紹）、陳碩教授（點擊查看介紹）課題組和華中師范大學的余穎教授（點擊查看介紹）課題組合作，從催化劑的微觀形貌設計入手，將銅納米線和鎳鐵雙金屬層狀氫氧化物(NiFe LDH)復合，在泡沫銅基底上巧妙地制備了兩者的三維核殼納米結(jié)構(gòu)（圖1a）。該催化劑電極具有特殊的三維核殼納米結(jié)構(gòu)、超大的比表面積和豐富的活性位點（圖1b）。而且，Cu納米線優(yōu)異的導電性有利于電子從Cu納米線向NiFe LDH納米片轉(zhuǎn)移。另外，NiFe LDH具有獨特的層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間的間隙為氣體分子的快速釋放提供了開放通道（圖1a），為電極在高電流密度下的優(yōu)異性能提供了保障。因此，在堿性電解質(zhì)中，該三維核殼結(jié)構(gòu)的復合電極對OER和HER同時表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性和穩(wěn)定性。在1 M的KOH溶液中，該電極產(chǎn)生的10 mA?cm-2電流密度對應的過電位分別為199 mV（OER，圖2a）和116 mV（HER，圖2b）。與此同時，在OER高電流密度100和1000 mA?cm-2 的輸出下，該電極所需的過電位分別是281和315 mV（圖2a），優(yōu)于已報道的大多數(shù)非貴金屬催化劑。將該電極應用于全分解水反應，在1.54和1.69 V的電壓下就能分別產(chǎn)生10和100 mA?cm-2的電流密度（圖2c），其性能優(yōu)于目前最好的Pt/IrO2全解水體系，特別是在高電流密度條件下遠遠超過Pt/IrO2。此外，該電極無論對OER和HER的半反應（圖2d, 2e）還是全分解水反應都表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。催化電極的制備方法簡單、耗能低、無污染，而且適合制備大尺寸的樣品，具有良好的應用前景。

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