香港城大朱剑豪Nano Energy：Ni掺杂非晶FeP纳米颗粒负载的TiN纳米线阵列用于碱性体系HER

木文韬 6年前 (2018-08-27) 4927浏览

【引言】

在电解水产氢（HER）催化剂中，贵金属铂族催化剂的催化性能最优异，但由于储量少、价格昂贵等因素限制其大规模推广使用。因此，近年来开发具有低成本、高催化活性和长寿命的非贵金属基催化剂材料成为HER领域的研究热点和重点。铁基催化剂，尤其是磷化铁，由于储量丰富、价格低廉、适用于宽pH范围体系，因而被认为是一种非常具有前景的HER催化剂。然而在以往报道中，关于磷化铁HER的研究工作主要集中在酸性体系中。酸性电解水体系对系统的硬件设施防腐性能要求较高且容易造成环境污染，因此碱性介质中HER最近受到更多的关注。然而，不同于酸性体系，在碱性介质中诸多催化剂的HER动力学过程缓慢、催化活性低等导致法拉第效率较低。由于Ni-Fe-P双金属化合物可表现出较单金属化合物有更高的HER活性；亦有相当报道，非晶态催化剂表现出比结晶态催化剂更优异的性能。

【成果简介】

近日，在香港城市大学等离子体实验室朱剑豪教授和武汉工程大学光电与新能源材料研究所彭祥博士（共同通讯作者）团队的带领下，与华中科技大学霍开富教授和香港理工大学Kwok-yin Wong教授合作，通过高能金属离子注入法首次实现了对负载在多孔导电基体TiN纳米线阵列上的FeP纳米颗粒同时进行可控镍掺杂和表面非晶化处理，成功设计和构建了镍掺杂非晶FeP纳米颗粒负载的氮化钛纳米线阵列（Ni-FeP/TiN/CC）复合材料。该复合材料在碱性体系中表现出优异的HER性能。达到10 mA/cm2的析氢电流仅需要75mV的过电位，并且具有与商用Pt/C催化剂接近的Tafel斜率；在300 mV的高过电位下连续析氢10小时其电流值仍能保持初始值的93%，而且催化剂的形貌也没有发生明显变化。为深入理解该催化剂高效HER的内在机制，研究人员从材料的导电性、电化学活性面积、Ni-Fe协同作用等方面进行了详细的探讨。相关成果以题为“Ni-Doped Amorphous Iron Phosphide Nanoparticles on TiN Nanowire Arrays: An Advanced Alkaline Hydrogen Evolution Electrocatalyst”发表在了Nano Energy上。

 【图文导读】

图1 制备分级Ni-FeP/TiN/CC电催化剂的示意图

图2形貌表征

（a-b）TiN/CC的SEM；

（c-d）FeP/TiN/CC的SEM； 

（e-f）Ni-FeP/TiN/CC的SEM。

图3结构表征

（a）TiN/CC，Fe3O4/TiN/CC，FeP/TiN/CC和Ni-FeP/TiN/CC的XRD图：@：石墨，$：TiN（87-0628），＃：Fe3O4（89-0691），*：FeP（89-2746）;

（b）Ni-FeP/TiN/CC的TEM图像;

（c，d）分别为FeP/TiN/CC和Ni-FeP/TiN/CC的HR-TEM图像。

图4 XPS表征

（a）Ni-FeP/TiN/CC和FeP/TiN/CC的XPS全谱；

（b）结合能在820和880eV范围内的Ni-FeP/TiN/CC和FeP/TiN/CC的XPS全谱；

（c）Ni-FeP/TiN/CC中Ni 2p的高分辨率XPS；

（d）FeP/TiN/CC和Ni-FeP/TiN/CC中Fe 2p的高分辨率XPS；

（e）Ni-FeP/TiN/CC中P 2p的高分辨率XPS。

图5电化学性能表征

（a）极化曲线；

（b）塔菲尔曲线；

（c）不同Ni离子注入量的Ni-FeP/TiN/CC的极化曲线；

（d）Ni-FeP/TiN/CC的稳定性测试，插图为测试之前和之后的LSV曲线。

【小结】

首先在碳布上生长多孔TiN纳米线阵列结构（TiN/CC）作为构筑三维柔性自支撑电极的基体材料，然后在该基体上负载FeP纳米颗粒，最后采用高能金属离子注入法对FeP纳米颗粒表层同时进行镍掺杂和非晶化处理得到Ni-FeP/TiN/CC。结果表明该复合材料在碱性体系中表现出优异的HER性能。作者认为高效HER归因于Ni-Fe-P原子的协同增强效应、高活性的非晶表面、基体材料的高导电性保证电荷的无障碍传输、以及Ni掺杂非晶FeP纳米颗粒和导电TiN/CC基体的牢固结合。

 文献链接：Ni-Doped Amorphous Iron Phosphide Nanoparticles on TiN Nanowire Arrays: An Advanced Alkaline Hydrogen Evolution Electrocatalyst（Nano Energy, 2018, DOI：10.1016/j.nanoen.2018.08.028）

【团队介绍】

香港城市大学等离子体实验室

http://www6.cityu.edu.hk/appkchu/plasma/Paul%20Chu/paul_chu.htm

团队负责人简介，朱剑豪，香港城市大学物理系、材料科学与工程系首席教授。入选中国国家千人计划（2016年）、广东省领军人才（2016年）、深圳孔雀团队带头人（2016年）、香港工程科学院（HKAES）院士（2014年）、材料研究学会（MRS）会士（2013年）、美国物理学会（APS）会士（2008年）、美国真空学会（AVS）会士（2006年）、电气与电子工程学会（IEEE）会士（2003年）、香港工程师学会（HKIE）会士（1999年）。获得教育部自然科学一等奖（2017年）、上海自然科学一等奖（2011年）等奖项。授权14项美国专利、11项中国专利、1项欧洲专利。发表35部专著、1600余篇SCI论文，论文被SCI引用47300余次，H-index为88。自2016年来连续两年入选材料科学高引用科学家。应邀在国际学术会议做大会、主旨、邀请报告1000余次。研究方向为材料表面等离子体处理、材料表/界面工程以及功能材料在生物、能源领域的应用。

武汉工程大学光电与新能源材料研究所

http://www.imone.net/

武汉工程大学光电与新能源材料研究所成立于2015年9月，依托材料科学与工程一级学科博士点，利用武汉工程大学在材料、化学、工程技术等学科方面的研究优势，开展以有机光电和纳米新能源为主的研究工作。从分子水平和纳米层次设计和制备新型有机光电功能材料和纳米新能源材料；开发低成本、绿色环保的器件加工工艺，实现大面积柔性制备；发展新型化学电源等能量储存、转换器件及制备工艺。做到基础研究和应用研究并重，不断探索，不断创新，积极推进产业化进程，并为工程实际提供综合解决方案。 光电与新能源材料研究所（IM-ONE）的建设得到湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划、湖北省自然科学基金创新群体、武汉市“黄鹤英才”科技创新团队等项目资助。

本文由材料人编辑部学术组木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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