能源是人類社會生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類社會發(fā)展和進(jìn)步的重要支撐。儲量有限的傳統(tǒng)化石能源大規(guī)模使用帶來了環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題，嚴(yán)重阻礙了人類社會的可持續(xù)發(fā)展。氫氣作為一種清潔的二次能源，具有較高的質(zhì)能比，并且燃燒產(chǎn)物無污染，已被視為一種理想的能源載體，通過電催化水分解制氫是一項非常有前景的途徑。然而電催化分解水面臨OER和HER的反應(yīng)動力學(xué)緩慢和過電位較高的問題，而且大部分催化劑均在酸性或堿性條件下工作，增加了能源消耗和生產(chǎn)成本。去年，課題組針對水分解催化劑工作條件（酸性或堿性）的問題，發(fā)展了CoO/Co4N異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑，在中性體系中實現(xiàn)了電催化高效全分解水，相關(guān)工作以《CoO-modified Co4N as a heterostructured electrocatalyst for highly efficient overall water splitting in neutral media》為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上（Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 24767.）。

為了進(jìn)一步降低電催化OER和HER的過電位和提升反應(yīng)動力學(xué)性能，王學(xué)斌教授課題組在前期三維筋稱石墨烯研究工作(Nature Communications, 2013, 4, 2905; Nano Energy, 2015, 16, 81; Bulletin of the Chemical Society of Japan, 2018,92 , 245)的基礎(chǔ)上，通過實驗設(shè)計合成了超輕的三維自支撐電極NiFeP/SG，直接作為反應(yīng)電極用于高效電催化析氧、析氫反應(yīng)和全分解水。

圖1 3D NiFeP/SG電極的制備過程及用于電催化全分解水

3D SG由于具有較大比表面積、多孔結(jié)構(gòu)、較高電導(dǎo)率和優(yōu)異的穩(wěn)定性，課題組率先將其作為基底，通過將超薄的NiFeP納米片直接生長在SG表面，得到3D NiFeP/SG自支撐水分解電極。研究發(fā)現(xiàn)，鐵元素的引入有效調(diào)節(jié)了Ni2P的電子結(jié)構(gòu)，使其d帶中心上浮，導(dǎo)致吸附中間體的吸附能減少，降低了反應(yīng)勢壘，提高了電催化活性。而且超薄的NiFeP納米片結(jié)構(gòu)、SG的多孔結(jié)構(gòu)和SG上NiFeP的直接生長進(jìn)一步提升了NiFeP/SG的催化活性。當(dāng)直接作為催化電極時，在10 mA cm-2電流密度下，OER和HER分別僅需過電位為218和115 mV，全分解水的電壓僅需1.54 V。利用RRDE技術(shù)分別證明了3D NiFeP/SG的OER和HER過程具有較高的法拉第效率。同時與NiFeP/NF和NiFeP/Ti相比，3D NiFeP/SG具有較小的阻抗和較大的質(zhì)量活性。

圖2 （a）NiFeP/SG的OER的極化曲線，（b）RRDE技術(shù)測試的樣品NiFeP/SG的OER法拉第效率，（c）NiFeP/SG的HER極化曲線，（d-f）RRDE技術(shù)對樣品NiFeP/SG進(jìn)行HER法拉第效率的測試

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院2016級博士生李瑞慶為論文的第一作者，王學(xué)斌教授為論文通訊作者，合作單位有香港城市大學(xué)、日本國立材料研究所，相關(guān)工作得到了南京大學(xué)胡征教授、上海大學(xué)李永樂教授等人的支持，以及南京大學(xué)高力波教授、徐潔研究員在拉曼表征方面的大力協(xié)助。研究得到了國家自然科學(xué)基金委面上及青年項目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項基金、江蘇省優(yōu)勢學(xué)科、江蘇省自然基金等項目的支持。

相關(guān)文章：Nano Energy, 2019, 58, 870-876.https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2211285519301363；J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 24767-24772，https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/ta/c8ta08519f