Nature Mater：将铁镍基合金作为碱性介质中的高活性、低成本析氧反应催化
01
【科学背景】
全球变暖需要可再生电力，理想情况下，通过水电解产生的氢气可以有效储存。 水电解槽中发生的缓慢动态析氧反应 (OER) 会导致运行效率降低和电池电压升高。 尽管IrO2经常被用作参考OER电催化剂，但必须开发更可持续、活性、稳定和地球富集的催化剂。 NiFe基氢氧化物（Ni1-）可用于碱性水电解槽； 然而，Ni1- 活性位点的性质仍然存在争议。 一般来说，镍铁基氢氧化物在析氧反应中具有很高的活性，但合成过程复杂，且沉积在外部载体上时的耐久性较差。 如何获得成本低廉、工艺简单的Fe-Ni合金析氧电极一直是国内外研究的难点。
02
【科学贡献】
这项工作表明，一种易于加工、廉价的 Fe-Ni 合金会自发形成高活性的 NiFe 氢氧化物表面，并在电化学活化下溶解。 虽然合金的制造工艺和初始表面状态对析氧反应性能没有影响，但NiFe表面层的生长/成分取决于合金元素和初始原子Fe/Ni比。 当Fe/Ni比在0.2～0.4之间时，析氧反应性能最好，活性位点多，效率高。 这一发现为碱性水电解槽中铁镍合金析氧电极奠定了基础。 相关成果以“Fe-Ni-based as and low cost in media”为题发表在国际著名期刊上。
图 1 0.1 M KOH、25°C 下 OER 性能的电化学表征。 a、不同合金抛光后的CV扫描； b，从图1a中提取的Ni III/Ni II还原峰值电位，作为通过扫描电子显微镜（SEM）和EDS测定的初始Fe含量的函数； c – e，抛光（c），老化（d）和活化（e）后线材和板材的OER电位； f、抛光、老化和活化后各个级别的Ni III/Ni II反应活性的演变； g，Ni活性位点特性的演变； h，电流密度为10ma cm−2时的OER电势。 ©2024
图 2 Ni/Fe 活性表面层的微观结构表征。 四个样品的 a – d TEM 图像：W-316L (a)、W-825 (b)、W-718 (c) 和 W-625 (d)； 每幅图像右侧的蓝色区域勾勒出活动层； e、抛光和活化后P-625和P-825的GI-XRD分析； f、g，活性表面层的衍射图，表明其具有良好的晶体结构(f)和纳米晶结构(g)； h，通过比较奥氏体相和NiO立方结构的衍射图生成的ASTAR相图； i，ASTAR晶体取向图。 ©2024
图3 TEM-EDS分析； 活化样品的化学成分谱。 负深度对应于体积，而正深度对应于活性表面层。 ©2024
图 4 Ni、Fe 和 Cr 峰的 XPS 光谱解卷积。 a - c 是 W-718 的 XPS 分析：Ni2p (a)、Fe2p (b) 和 Cr2p (c)； d - f 是 W-625 的 XPS 分析：Ni2p (d)、Fe3p (e) 和 Cr2p (f)。 ©2024
图5 活性表面层化学成分对关键电化学参数的影响； a，镍 III/镍 II 还原峰电位作为铁含量 (at.%) 的函数，由 XPS 测量的铁/镍原子比确定。 为了计算铁的原子百分比，我们考虑仅包含铁和镍的合金； b，Ni活性位点活性作为表面层原子Fe/Ni比的函数。 c，OER性能与氧化层化学成分之间的相关性。 OER 电势（在 5 mA cm-2 下）显示为 XPS 测量的原子 Fe/Ni 比率的函数。 ©2024
03
【创新】
1.发现析氧反应性能最佳的Fe/Ni原子质量比；
2. 创造性地提出使用Fe-Ni基合金作为高活性、低成本的碱性电解液催化剂。
04
【科学启蒙】
无论起始合金的铁和镍含量如何，均具有显着的 OER 活性（优于商业 IrO2）和合理的耐用性。 这一创新成果不仅为开发低成本、高活性碱性电解液提供了思路，也促进了氢能的可持续应用。
论文详情：
本文由虚谷那吾贡献。
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