利用自发的电置换反应（Galvanic Replacement Reaction）制备高效稳定的镍铁电催化剂用于水分解反应

鉴于人类当前面临的能源与环境危机，开发可再生、清洁、无污染的新能源已成为当今科学界面临的重大挑战。氢能因其燃烧热值高、产物无污染、利用形式多样等特点，被认为是“21世纪最有发展前途的新能源”。与蒸汽甲烷重整和水煤气工艺相比，电解以水为原料，是一种清洁、可持续、规模化的制氢方法。在电解水过程中，水氧化析氧半反应（OER）在热力学和动力学上比水还原析氢半反应（HER）更难，成为整个水分解系统能量转化效率的瓶颈。为了降低水电解的能耗，催化剂是关键。开发基于廉价第一过渡金属的水氧化催化剂是当前水氧化催化研究的重要课题。由于镍和铁的协同作用，镍铁共掺杂电催化剂的催化性能较单一金属基催化剂有较大提升，成为最有前景的水氧化电催化剂之一。为了应用于实际生产，镍铁基催化剂应易于工业化大规模制备，且催化剂应具有较高的稳定性，特别是在强气泡的冲洗下能保持稳定的催化性能。

近日，同济大学化工学院陈作锋课题组报道了一种利用自发电化学置换反应（GRR）制备三维纳米片结构镍铁基催化电极的新方法（见图）。该方法利用不同金属之间固有的电化学电位差作为反应的驱动力。只需将三维结构化的泡沫铁基底电极浸入含有镍离子的溶液中即可制备出催化电极，不消耗任何能量，制备方法简单。该催化电极具有特殊的三维纳米片结构，不需要使用粘合剂，对水氧化表现出很高的电催化性能。根据塔菲尔曲线可知，在1 M KOH溶液中仅需300 mV的过电位就能达到1000 mA/cm2的电流密度，并且长期电解过程中电流保持稳定。该方法具有很好的可扩展性，也可用于制备钴铁甚至镍钴铁三元电极。将制备好的镍铁电极进一步磷化处理可制备成具有良好催化性能的镍铁磷化物制氢催化剂，由该二元金属磷化物与氧化物组装成的双电极全反应电解装置在电催化水分解中表现出良好的性能。

总之，这种利用不同金属之间固有电化学势差作为反应驱动力的制备方法具有不消耗任何能量、简单、高效、适用于制备各种二元甚至三元金属基催化剂的优点。同时，这种通过自发电置换反应原位生长电极基底制备的三维纳米片催化剂还具有结构稳定、不易脱落、不需要粘结剂等优点。上述研究为构建新型廉价、高效、稳定的水分解电催化剂提供了一种新的制备方法和设计理念，为降低水电解制氢能耗提供了切实可行的解决方案。

相关工作在线发表（DOI:10.1002/aenm.），研究组博士生王建英为该论文第一作者。