吉林大学卢晓峰教授等人：双金属磷化物嵌入碳纳米纤维，以促进析氧反应
吉林大学卢晓峰教授等人：双金属磷化物嵌入碳纳米纤维，以促进析氧反应
开发用于析氧反应（OER）的非贵金属电催化剂对于通过水电解大规模生产氢气至关重要。近期，吉林大学卢晓峰教授和中国石油大学王兆杰副教授合作，通过静电纺丝-碳化-磷化的方法制备了嵌入静电纺丝碳纳米纤维的双金属磷化物（P-FeNi/CNF）。该催化剂展现出优异导电性和高OER活性。相关研究内容以“Rational design of bimetal phosphide embedded in carbon nanofibers for boosting oxygen evolution”为题目，发表在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上。
本研究通过电纺-碳化-磷化策略制备了嵌入电纺碳纳米纤维中的双金属磷化物（P-FeNi/CNFs），防止了P-FeNi纳米颗粒的聚集并进一步提高了它们的电子传输性能。双金属磷化物有助于减弱O中间体的吸附，促进OER活性，这一点得到了理论结果的证实。
优化后的P-Fe1Ni2/CNFs催化剂表现出非常高的OER电催化性能，在碱性介质中只需要很低的过电位就能达到10和1000 mA cm-2。此外，基于P-Fe1Ni2/CNFs催化剂和Pt/C构建的碱性电解槽在10 mA cm-2时提供了52 V的电池电压，超过了商业RuO2 || Pt/C（1.61 V）电解槽。它还在模拟海水电解质中提供了优异的碱性OER性能，展示了它在广泛的环境条件下的潜力。
FeNi/CNFs催化剂的制备过程
采用电纺丝-碳化-磷化工艺制备了P-FeNi/CNFs催化剂。首先在N, N-二甲基甲酰胺(DMF)中制备聚丙烯腈(PAN)溶液，然后以不同的摩尔比加入Fe(acac)3和Ni(Ac)24H2O。采用静电纺丝法制备了FeNi前驱体/PAN纳米纤维膜，并在800℃氩气氛下进行了热解。以NaH2-PO2⋅H2O为磷源，在350℃下进行磷化反应。
图1 (a) P-FeNi/CNFs的合成过程。(b) Fe1Ni2/PAN纳米纤维，(c) Fe1Ni2/CNFs， (d) P-Fe1Ni2/CNFs的FESEM图像。(e) P-Fe1Ni2/CNFs的TEM图像。
FeNi/CNFs催化剂的独特优势
P-FeNi/CNFs催化剂的独特之处在于其结构和组成。嵌入碳纳米纤维中的双金属磷化物具有高导电性和坚固的结构稳定性，可防止聚集并改善电子转移性能。FeNi纳米颗粒在CNFs中的存在降低了界面阻力，提高了导电性，并为析氧反应(OER)提供了多个活性位点。此外，双金属磷化物有助于减弱O中间体的吸附，促进OER活性。这些特点使P-FeNi/CNFs催化剂在效率和性能方面与其他电催化剂相比脱颖而出。
图2 (a) P-Fe1Ni1/CNFs、P-Fe1Ni2/CNFs和P-Fe1Ni3/CNFs的XRD谱图。(b) P-Fe/CNFs和P-Ni/CNFs的XRD谱图。
图3 (a)所得P-Fe1Ni2/CNFs的HRTEM图，(b) SAED图，(c) EDX谱。(d) P-Fe1Ni2 /CNFs中Fe、Ni、C、N和P元素的HAADF-STEM显微照片和EDX图谱。
图4 P-Fe1Ni2/CNFs的XPS光谱。(a)全测谱，(b) Fe 2p谱，(c) Ni 2p谱，(d) p2p谱。
图5 (a) - (f): 1 M KOH溶液中OER的电化学测量。(a)不同样品经iR校正后的LSV曲线。(b)不同样品在20和100 mA cm-2下的过电位。(c) LSV极化曲线对应的Tafel图。(d)不同样本的奈奎斯特图。(e)由不同催化剂的电容电流密度与扫描速率计算的Cdl。(f)碳纸上P-Fe1Ni2/CNFs在1.606 V / RHE下的计时电流测试。(g) -(i):在1 M KOH溶液中，在双电极系统中进行整体水分解测量。
图6 (a) FeP、Ni2P、Ni@FeP和Fe@Ni2P的优化结构；(b) OER在FeP、Ni2P、Ni@FeP和Fe@Ni2P上的反应能；(c) O吸附能与过电位呈线性关系。(d) FeP, Ni@FeP和(e) Ni2P, Fe@Ni2P的状态投影密度。