ACS Nano：快速燃烧！高效电催化剂可实现高电流密度！

电解水技术是一种很有前景的绿色制氢技术，对未来可持续能源的发展至关重要。实现工业制氢，需要催化剂在高电流密度下运行。众所周知，四电子过程以及动力学缓慢的阳极析氧反应(OER)一直是电解水技术的瓶颈，严重制约了电解水的发展。

虽然贵金属使用率低的RuO₂/IrO₂基电催化剂取得了很大的进展，但这些催化剂存在储量低、成本高、长期稳定性差等缺点，阻碍了其广泛应用。因此，开发低成本的非贵金属基催化剂至关重要。

南京航空航天大学彭生杰等人制备了原位生长在泡沫Fe(IF)上的金属氧化物耦合Fe₂O₃的催化剂(Ni(OH)₂/Fe₂O₃，IF-Ni)用于OER。

为了确定催化剂的电催化性能，在1.0 M KOH的传统三电极体系中，在室温下进行了测试。通过极化曲线发现，IF-Ni 150 mM只需要218和257 mV的低过电位就可以获得100和500 mA cm^-2的电流密度，表明其对OER具有较好的电催化活性。

相比之下，IF-Ni 150 mM的过电位值远小于IF-Ni 0 mM(386和524 mV)、IF(395和559 mV)和RuO₂(286和345 mV)。

此外，IF-Ni 150 mM在271 mV的过电位下可产生1000 mA cm^-2的高电流密度，满足工业电流要求。与IF-Ni 0 mM(54.88 mV dec^-1)、IF(55.83 mV dec^-1)和RuO₂(54.33 mV dec^-1)的Tafel斜率相比，IF-Ni 150 mM的Tafel斜率最小(52.83 mV dec^-1)，表明IF-Ni 150 mM具有较快的反应动力学。

本文还评估了IF-Mn 150 mM、IF-Fe 150 mM、IF-Co 150 mM和IF-Zn 150 mM及其对比样品的OER催化活性。正如预期的那样，IF-Mn 150 mM，IF-Fe 150 mM，IF-Co 150 mM和IF-Zn 150 mM显示出相对更高的电流密度，揭示了金属盐在增强OER催化活性中的重要作用。因此，本文的合成策略可用于高效催化剂的制备。

通过密度泛函理论(DFT)计算，分析了制备的催化剂具有优异OER性能的机理。Ni(OH)₂/Fe₂O₃相应的电荷密度差反映了Fe和Ni原子周围电子态分布以及O原子周围的电荷积聚，这种电荷分布显示电子从金属原子转移到氧原子进一步优化了OER反应途径。

随后，通过计算态密度(DOS)计算进一步分析了催化剂的电子结构，Fe₂O₃和Ni(OH)₂均表现出明显的带隙，表明它们具有半导体性质。Ni(OH)₂/Fe₂O₃具有靠近费米能级的态密度分布，其较窄的带隙有利于激发载流子到导带，从而提高电导率。Fe的d带中心的正移有助于增强吸附物与催化剂之间的相互作用。

此外，还计算了电势为0 V时Fe₂O₃和Ni(OH)₂/Fe₂O₃中的Fe位点以及Ni(OH)₂和Ni(OH)₂/Fe₂O₃中的Ni位点在各步骤的吉布斯自由能(ΔG)。Fe₂O₃最吸热的步骤是第二次电子转移(OH^*→O^*)，对应的ΔG计算为3.35 eV，是OER过程的速率决定步骤(RDS)。

然而，随着Ni(OH)₂的引入，RDS则是从O^*到OOH^*的反应，相应的能垒降低到1.94 eV。计算Fe₂O₃和Ni(OH)₂/Fe₂O₃的Fe位点在OER过程中RDS的电势差(ΔE_PDS)分别为2.12 V和0.71 V，表明电子重新分布后更有利于促进OER过程。当以N作为活性位点时，对于Ni(OH)₂/Fe₂O₃而言，OER过程在0 V时的RDS仍然是OH^*的氧化脱氢过程，但是能垒增加到2.23 eV。

因此，实验和计算都表明Ni(OH)₂/Fe₂O₃具有更优异的OER电催化活性并且当Fe位点作为活性中心时，电子结构的改变和^*O吸附的增强改善了热力学。这项工作提出了一种有效的方法来构建成本低和稳定的催化剂，为未来能量转换和存储应用提供了思路。

Ultrafast Combustion Synthesis of Robust and Efficient Electrocatalysts for High-Current-Density Water Oxidation, ACS Nano, 2023, DOI: 10.1021/acsnano.2c1193.

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11939.