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三维核壳结构Cu纳米线@NiFe LDH纳米片：高效的双功能全分解水电催化剂

来源: X-MOL 2017-08-08 11:53:50

氢气具有燃烧热值高、清洁无污染和可利用形式多样等诸多优点，是一种理想的能源载体。电解水是一种清洁、可持续大规模制备氢气的方法。电解水反应包括产氢（HER）和析氧（OER）两个半反应。其中，降低产氢和析氧反应的过电位是目前研究的技术难题，关系到相关技术是否可以进行实际应用。迄今为止，贵金属Pt和RuO2/IrO2分别是公认的非常高效的HER和OER催化剂材料，但其较高的成本和有限的资源限制了这些材料的广泛应用。另一方面，目前报道的大部分催化剂只能单一地在酸性电解液里催化HER或者在碱性电解液里催化OER，用于全分解水的性能仍不能令人满意。因此，发展非贵金属双功能水分解电催化剂成为近几年的研究热点。

最近，美国休斯顿大学的任志锋（点击查看介绍）、陈硕教授（点击查看介绍）课题组和华中师范大学的余颖教授（点击查看介绍）课题组合作，从催化剂的微观形貌设计入手，将铜纳米线和镍铁双金属层状氢氧化物(NiFe LDH)复合，在泡沫铜基底上巧妙地制备了两者的三维核壳纳米结构（图1a）。该催化剂电极具有特殊的三维核壳纳米结构、超大的比表面积和丰富的活性位点（图1b）。而且，Cu纳米线优异的导电性有利于电子从Cu纳米线向NiFe LDH纳米片转移。另外，NiFe LDH具有独特的层状结构，层与层之间的间隙为气体分子的快速释放提供了开放通道（图1a），为电极在高电流密度下的优异性能提供了保障。因此，在碱性电解质中，该三维核壳结构的复合电极对OER和HER同时表现出优异的电催化活性和稳定性。在1 M的KOH溶液中，该电极产生的10 mA•cm-2电流密度对应的过电位分别为199 mV（OER，图2a）和116 mV（HER，图2b）。与此同时，在OER高电流密度100和1000 mA•cm-2 的输出下，该电极所需的过电位分别是281和315 mV（图2a），优于已报道的大多数非贵金属催化剂。将该电极应用于全分解水反应，在1.54和1.69 V的电压下就能分别产生10和100 mA•cm-2的电流密度（图2c），其性能优于目前最好的Pt/IrO2全解水体系，特别是在高电流密度条件下远远超过Pt/IrO2。此外，该电极无论对OER和HER的半反应（图2d, 2e）还是全分解水反应都表现出优异的稳定性。催化电极的制备方法简单、耗能低、无污染，而且适合制备大尺寸的样品，具有良好的应用前景。

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