催化学报 ›› 2024, Vol. 61: 192-204.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60030-6

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构筑非晶/晶体NiFe-MOF@NiS异质结构催化剂增强大电流密度下水/海水氧化

侯现飚,1, 于辰,1, 倪腾嘉, 张树聪, 周健, 代水星, 初蕾*(), 黄明华*()   

  1. 中国海洋大学材料科学与工程学院, 山东青岛 266100
  • 收稿日期:2024-01-21 接受日期:2024-03-26 出版日期:2024-06-18 发布日期:2024-06-20
  • 通讯作者: * 电子信箱: chulei@ouc.edu.cn (初蕾),huangminghua@ouc.edu.cn (黄明华).
  • 作者简介:

    1共同第一作者.

  • 基金资助:
    国家自然科学基金(52261145700);国家自然科学基金(22279124);山东省自然科学基金(ZR2022ZD30);青岛新能源山东实验室开放项目(QNESL OP202307);中央高校基本科研业务费(202262010)

Constructing amorphous/crystalline NiFe-MOF@NiS heterojunction catalysts for enhanced water/seawater oxidation at large current density

Xianbiao Hou,1, Chen Yu,1, Tengjia Ni, Shucong Zhang, Jian Zhou, Shuixing Dai, Lei Chu*(), Minghua Huang*()   

  1. School of Materials Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, Shandong, China
  • Received:2024-01-21 Accepted:2024-03-26 Online:2024-06-18 Published:2024-06-20
  • Contact: * E-mail: chulei@ouc.edu.cn (L. Chu), huangminghua@ouc.edu.cn (M. Huang).
  • About author:

    1Contributed equally to this work.

  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(52261145700);National Natural Science Foundation of China(22279124);Natural Science Foundation of Shandong Province(ZR2022ZD30);Qingdao New Energy Shandong Laboratory Open Project(QNESL OP202307);Fundamental Research Funds for the Central Universities(202262010)

摘要:

电化学水分解作为一种生产高纯度氢气的绿色技术, 虽然前景广阔, 但阳极析氧反应(OER)动力学缓慢, 严重制约了其能量转换效率. 目前, 电化学水分解系统主要以淡水作为原料. 然而, 大规模使用淡水进行分解无疑会给淡水资源带来沉重负担. 相比之下, 占水资源总量96%以上的海水, 因其丰富的储量, 成为替代淡水的理想选择. 然而, 由于海水中含有大量的氯离子, 会引发与OER的竞争性氯析出反应(ClER)形成次氯酸盐(ClO-), 导致活性位点失活, 严重降低催化剂的活性和稳定性. 因此, 如何在利用海水进行电化学水分解的同时, 有效抑制ClER的发生, 是当前亟待解决的科学问题.
在最新催化剂研究中, 金属有机框架(MOF)凭借其高孔隙率、大比表面积和分散的活性位点, 在电化学水分解中展现出良好的性能. 然而, MOF的电子导电性和OER反应能垒受限于氧原子p轨道与金属原子d轨道间的电子云重叠. 因此, 设计MOF活性位点的电子结构, 促进自发电子转移, 对于提升导电性和OER效率至关重要. 界面工程能优化MOF活性位点的电子结构, 增强局部电荷再分配, 从而提高OER活性. 为满足工业高电流密度需求, 构建富含缺陷的异质结构是关键, 其能暴露更多OER活性位点, 优化质量传递, 缩短电子迁移路径. 结合高导电、可调电子结构的NiS晶体相, 构建MOF非晶/NiS晶体异质界面, 可调控电子结构并加速电荷转移. 目前, 关于MOF基非晶/晶异质界面催化剂用于海水氧化的报道尚少, 这一方向具有巨大潜力.
本文通过两步法耦合策略, 成功在泡沫镍基底上制备了NiFe-MOF@NiS异质结构催化剂. 首先, 利用硫温和改性腐蚀方法在泡沫镍基体生长晶相NiS纳米片; 随后, 通过电沉积处理在NiS表面生长非晶相NiFe-MOF纳米颗粒. 理论计算结果表明, NiFe-MOF和NiS之间的电子相互作用可以加速电荷转移, 有效调节金属位点的d带中心, 从而优化含氧中间体的吸附能力. 与NiFe-MOF和NiS相比, NiFe-MOF@NiS/NF催化剂对OOH*中间体的吸附能力更为突出, 这大大降低了速率决定步骤(O*→OOH*)的反应能垒, 为高效催化OER提供了理论支撑. 实验结果表明, 在1 mol L‒1 KOH和碱性海水电解液中, NiFe-MOF@NiS/NF催化剂仅需要346和355 mV的低过电位, 即可驱动500 mA cm-2的大电流密度. Tafel斜率和电化学阻抗谱的结果表明, 该催化剂具有较好的OER动力学特征. 此外, 质量活性和转换频率结果表明, NiFe-MOF@NiS/NF催化剂展现出良好的本征催化活性. 多步恒电流阶梯曲线以及在100和500 mA cm‒2电流密度下的计时电位曲线结果表明, NiFe-MOF@NiS/NF催化剂具有出色的长期稳定性. 通过对在碱性海水电解液OER反应后的NiFe-MOF@NiS/NF催化剂进行表征发现, 在OER过程中, NiS物种会在阳极电压下自重构形成硫酸盐膜, 可以显著抑制Cl-离子在催化剂表面的吸附, 使NiFe-MOF@NiS/NF催化剂在海水电解质中具有强大的耐腐蚀性. 这一特性使得NiFe-MOF@NiS/NF催化剂在碱性KOH和碱性海水中均能保持较好的OER活性和稳定性, 性能超过了商业RuO2以及大多数报道的其他MOF基的催化剂.
综上所述, 本文通过简便易行的合成策略, 制备了高性能的NiFe-MOF@NiS异质结催化剂, 其表现出高效电解海水性能和稳定性. 本工作为合理设计高活性、稳定性、选择性的MOF基抗氯腐蚀催化剂以提高碱性海水的OER性能提供了新视角.

关键词: 金属有机框架, 非晶/晶异质界面, 电催化, 海水氧化, 大电流密度

Abstract:

Developing metal-organic frameworks (MOF) based catalysts with high activity and chlorine corrosion resistance is of paramount importance for seawater oxidation at large current density. Herein, we report a heterogeneous structure coupling NiFe-MOF nanoparticles with NiS nanosheets onto Ni foam (denoted as the NiFe-MOF@NiS/NF) via the mild strategy involving sulfur-modified corrosion and electrodeposition treatment. The constructed amorphous/crystalline interfaces could not only facilitate the adequate infiltration of electrolyte and release of O2 bubbles at large current densities, but also significantly improve the charge transfer from NiFe-MOF to NiS and the adsorption/desorption capacity of oxygen intermediates. Intriguingly, during oxygen evolution reaction process, the sulfate film formed by the self-reconstruction could remarkably inhibit the adsorption of Cl- ions on the catalyst surface in the seawater electrolytes. Benefiting from the robust corrosion resistance, unique amorphous/crystalline interfaces, and the charge redistribution, the well-designed NiFe-MOF@NiS/NF exhibits the low overpotential of 346 and 355 mV under a high current density of 500 mA cm-2 in alkaline water and seawater electrolytes, respectively. More importantly, the as-fabricated NiFe-MOF@NiS/NF demonstrates prolonged stability and durability, lasting over 600 h at a current density of 100 mA cm-2 in both electrolytes. This study enriches the understanding of electronic structure modulation and chlorine corrosion resistance in seawater, providing broad prospects for designing advanced MOF-based catalysts.

Key words: Metal-organic framework, Amorphous/crystalline heterointerface, Electrocatalyst, Water/seawater oxidation, Large current density