悉尼科大/港城大/上交AFM：Ni调控Fe3N@NCPs电子结构，稳定催化碱性海水电解

电化学海水分解技术由于其成本低和环境友好等优点，被认为是最有前途的可持续制氢技术。然而，海水的组成相当复杂，含有大量的溶解阴离子(如Cl⁻、SO₄²⁻)和阳离子(如Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺)、颗粒物和微生物等杂质，这不仅使海水的电解复杂化，而且给其进一步的商业应用带来巨大的障碍。海水中高浓度的溶解Cl⁻离子不可避免地引发电催化剂在海水分解过程中的腐蚀现象，从而使电催化活性衰减。此外，Cl⁻离子也会在阳极发生析氯反应(ClER)，与OER竞争，从而影响电解效率。因此，有必要设计电催化活性高、耐腐蚀性好、选择性好的催化剂以实现高效海水电解生产H₂。

近日，悉尼科技大学汪国秀、香港城市大学陈晓东和上海交通大学崔立峰等采用湿浸渍处理和热退火相结合的方法，制备了碳包覆的Ni掺杂Fe₃N复合纳米材料(Ni_x-Fe₃N@NCPs)。

具体而言，作为自牺牲模板的聚苯胺(PANI)由于其特殊的π共轭结构和丰富的具有孤电子对的接枝氮形态，可以为Fe和Ni/PANI前体结构的Fe和Ni离子配位提供锚定位点。

随后，经过退火处理后可以有效地转化为Ni_x-Fe₃N@NCPs电催化剂。在Ni_x-Fe₃N@NCPs电催化剂中的掺氮碳纳米涂层可以有效地提高电导率，增强结构稳定性，阻止Ni_x-Fe₃N活性组分的迁移聚集；另一方面，由于存在的纳米孔道的屏蔽作用，可以成功地防止Cl⁻离子对Ni_x-Fe₃N组分的腐蚀。

更重要的是，在Fe₃N中引入Ni杂原子可以调节电子构型和引起晶格膨胀，这有助于促进反应物和中间体的吸附和产生额外的有效活性位点。密度泛函理论(DFT)计算表明，Ni掺杂不仅使更多的电子流向Fe中心，从而赋予它高电导率，而且降低了反应能垒，促进了反应动力学。

因此，最佳的Ni_0.10-Fe₃N@NCPs催化剂只需要47、147和291 mV (HER)和152、249和312 mV (OER)的过电位就能分别达到10、100和500 mA cm^-2的电流密度。同时，基于Ni_0.10-Fe₃N@NCPs电催化剂的碱性海水电解槽仅需1.8 V的电压就能达到500 mA cm^-2，并且在连续电解1200小时过程中没有出现明显的性能衰减。

The Ni heteroatom-induced electronic structure tailoring of ultrastable Fe₃N@NCPs nanosheets electrocatalyst for boosting alkaline seawater electrolysis. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202404470