休斯顿大学任志锋等：高比表面积高机械强度的分级互联NiMoN助力高效稳定碱性淡水/海水制氢
休斯顿大学任志锋等：高比表面积高机械强度的分级互联NiMoN助力高效稳定碱性淡水/海水制氢
nanomicroletters
Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在 Springer 开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。
点击蓝字 关注我们
研究背景
Minghui Ning, Yu Wang, Libo Wu, Lun Yang, Zhaoyang Chen, Shaowei Song, Yan Yao, Jiming Bao, Shuo Chen*, Zhifeng Ren*
Nano-Micro Letters (2023)15: 157
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01129-y
本文亮点
1. 基于对水热水浴反应的合理设计成功合成了 分级互联 的纳米级HW-NiMoN-2h。
内容简介
NiMo基纳米催化剂是目前最高效的碱性制氢催化剂之一，但是其脆弱的纳米结构严重限制了其在高电流密度下的稳定性。 休斯顿大学任志锋&陈硕课题组 提出构建分级互联的纳米结构，在提高比表面积的同时，增强纳米催化剂的机械强度，以同时实现对NiMo基纳米催化剂活性和稳定性的提高。通过对水热及水浴反应生成NiMoO₄的合理设计，本工作成功合成了纳米棒/纳米线分级互联纳米结构。在完成氮化后，分级互联NiMoN在工业级电流密度1 A/cm²下展现出了107 mV的超低过电势，并且在碱性海水电解液中连续工作70小时后未出现明显衰减。
图文导读
图1. (a) 分级互联NiMoN在泡沫镍上的合成过程；(b) HW-NiMoN-2h的SEM图片；(c-d) HW-NiMoN-2h的TEM图片；(e) HW-NiMoN-2h的选区电子衍射图片；HW-NiMoN-2h的EDS图谱 (f) Ni，(g) Mo，(h) N。
图2a中的XRD数据揭示了水热与水浴生成的NiMoO₄拥有相似的晶体结构，这解释了HW-NiMoO₄分级互联结构能够顺利构建的原因：NiMoO₄纳米棒为后续NiMoO₄纳米线的生长提供了大量的生长位点。在氮化后，不同结构的NiMoN展现出了相似的晶体结构(图2b)，这说明了不同的生长方法及结构并不对最终材料的构成造成明显影响。图2c-f的XPS结果阐明了NiMoN中Ni，Mo，N各元素的价态分别是0，+3，-3。
图2. (a) 不同NiMoO₄的XRD数据；(b) 不同NiMoN的XRD数据；HW-NiMoN-2h的XPS数据, (c) Ni 2p，(d) Mo 3d，(e) N 1s，(f) O 1s。
图3. (a) 不同NiMoN的HER性能对比；(b) 不同NiMoN的双电层电容；(c) 不同NiMoN的电化学比表面积；(d) 不同材料的HER性能对比；(e) 不同材料的HER Tafel斜率对比；(f) 本工作与文献报道的催化剂性能对比；(g) 10000次CV循环前后性能对比；(h) 500 mA/cm²下的记时电位稳定性测试。
III 机械强度研究
纳米材料的机械强度对催化剂析氢反应的稳定性有很大影响。因此，本文对不同纳米结构的NiMoN展开了系统性的机械强度测试。对于大部分纳米催化剂来说，超声震荡是破坏性测试，但是同时也可以作为机械强度测试的手段。经过30分钟的超声震荡后，由图4c可观测到无互联的NiMoN/泡沫镍电极颜色由深黑色变为了浅黑色，甚至露出了泡沫镍的淡银色；而分级互联的NiMoN/泡沫镍电极颜色依旧保持为深黑色。这说明了互联的纳米结构将大部分纳米材料团结成一块，从而获得了更高的机械强度来抵御超声震荡。图d-f的SEM图片确切地证明了这一结果。
图5. (a) HW-NiMoN-2h在不同电解液中的析氢性能；(b) HW-NiMoN-2h在不同电解液中的Tafel斜率；(c) 不同材料在碱性海水中的HER性能对比；(d) 碱性海水中电解水法拉第效率测试；(e) 碱性海水中500 mA/cm²及1000 mA/cm²下的记时电位稳定性测试。
作者简介