一、用于促 【導讀】

電解水制氫是進全一種綠色可持續的制氫技術，電解水反應包括陰極的水解析氫反應和陽極的析氧反應。雖然如Pt、用于促Ru、進全Ir等貴金屬具有優良的水解催化活性，但價格昂貴、用于促儲量少，進全限制了其作為電催化劑的水解廣泛應用。探索高性能、用于促低成本的進全電催化劑制氫成為研究重點。研究表明，水解在電催化劑中構建兩種及以上的用于促過渡金屬，引入非金屬磷、進全氮、水解硫等雜原子，可調節晶格參數、電子密度，影響吸附能，顯著提高材料整體的催化活性。過渡金屬磷化物具有與氫化酶活性位點相似的化學模擬物，可實現從金屬到磷的電子轉移。作為活性位點的陰離子磷原子可增強質子放電過程。常見的催化劑基底因其柔韌性較差，阻礙了其在特殊環境中的應用。柔性親水纖維布（HFC）因其低成本、高柔性、大比表面積、強耐腐蝕性，受到了越來越多關注。HFC為基底的自支撐電極不需要額外粘合劑，降低了界面阻力，暴露了大量活性位點，提高了結構穩定性。因此這為研發高效、廉價、穩定的全解水催化材料提供了新思路，在電解水制氫領域具有良好的應用前景。

二、【成果掠影】

近日，青島大學惠彬特聘教授團隊采用化學鍍法合成了用于HER 和OER的Ni-W-P@HFC柔性電極。相互連接的纖維有助于形成良好的導電網絡和連續的電子傳輸路徑。得益于纖維結構的調節和摻雜控制，所制備的Ni-W-P@HFC電極具有快速的電子傳遞能力和大量的活性位點，具有優異的雙功能活性和長期穩定性。DFT計算表明，在Ni-P合金中引入W原子可誘導電子密度的重新分布，優化中間產物的吸附能，降低能壘。這項研究提出了一種柔性高活性和耐用的水分解電極，有助于清潔能源系統的發展。相關的研究成果以"Scale-up Preparation of Flexible Ni-W-P@Fiber Cloth Electrode for Boosting Overall Water Electrosplitting"為題發表在ACS Sustainable Chem. Eng.上。論文第一作者為李騰。

三、【核心創新點】

提出利用纖維布負載Ni-W-P合金，通過簡單的化學鍍法在Ni-P合金中摻雜W原子，實現了柔性Ni-W-P@HFC電極的擴大制備。制備的電極具有優異的雙功能活性和長期穩定性，DFT計算揭示了在Ni-P合金中引入W降低了反應能壘。

四、【數據概覽】

圖1 (a) Ni-W-P@HFC的合成示意圖；(b和c) HFC的SEM圖像；(d-g）Ni-W-P@HFC的SEM圖像；(h) Ni-W-P@HFC中Ni、W 和 P元素的能譜圖。

圖2 (a) HFC和Ni-W-P@HFC的XRD圖譜；(b和c）Ni-W-P@HFC的TEM圖；Ni-W-P@HFC的(d) Ni 2p、(e) P 2p、(f) W 4f、(g) O 1s和(h) C 1s的XPS光譜；(i) Ni-W-P和Ni-P的ICP結果。

圖3 Ni-W-P@HFC電極在1 M KOH中的HER性能：(a) LSV曲線；（b）Tafel圖；(c)EIS Nyquist圖。1 M KOH 中Ni-W-P@HFC電極的OER性能：(d)LSV曲線；(e)Tafel圖；(f)EIS Nyquist圖；(g) Ni-W-P@HFC的Cdl；(h) HER和 (i) OER時Ni-W-P@HFC的穩定性。

圖4 (a)使用相同的Ni-W-P@HFC分別作為陰極和陽極的電解槽示意圖；(b) Ni-W-P@HFC//Ni-W-P@HFC在1 M KOH中的整體水電解性能；(c)電解槽在1 M KOH 中100和200 mA cm^-2的穩定性測試；(d)大尺寸柔性Ni-W-P@HFC電極的制備；(e）Ni-W-P@HFC的表面電阻；(f)具有良好導電性的Ni-W-P@HFC照片；(g)太陽能電池板驅動水分解照片。

圖5 (a) Ni-P和Ni-W-P裸露（111）面上HER過程的吉布斯自由能臺階圖；(b) 在Ni-P 和Ni-W-P上H₂O生成H²的不同中間產物；(c) Ni-P和Ni-W-P暴露（111）面上OER過程的吉布斯自由能臺階圖；(d) 在Ni-P和Ni-W-P上H₂O生成O²的不同中間產物；W、Ni、P、O 和 H 原子分別用藍色、橙色、紫色、紅色和灰色球體表示。

圖6 (a) Ni-W-P樣品的差分電荷密度分布圖。黃色代表電荷積累，青色代表空間電荷耗盡；(b) 差分電荷密度分布圖的切面圖；(c) Ni-P中Ni原子和P原子的態密度；(d) Ni-W-P 中Ni原子、P原子和W原子的態密度。

五、【成果啟示】

綜上所述，提出采用簡單的化學鍍法在HFC上原位生長Ni-W-P合金，相互連接的纖維有助于形成良好的導電網絡和連續的電子傳輸路徑。這種基于柔性纖維布的電極具有高導電性和優異的活性，在堿性電解液中大大提高了HER和 OER性能。HFC衍生的自支撐電極不需要額外的粘合劑，降低了界面阻力，暴露出大量活性位點。DFT計算表明，Ni-P合金中摻雜的W原子導致電子密度重新分布，優化了中間產物的吸附能，降低了能壘，促進了水分子的裂解。Ni-W-P@HFC柔性電極的規模化制備和太陽能驅動的整體水分解預示著廣闊的發展前景。

原文詳情：Li, Teng, et al. Scale-Up Preparation of Flexible Ni–W–P@ Fiber Cloth Electrode for Boosting Overall Water Electrosplitting. ACS Sustainable Chem. Eng. 2023, 11, 14549?14558.

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c03931