利用太阳能、风能等绿色电能进行电解水制氢是一种极具前景的绿色制氢方法，而高过电位造成的高能耗及贵金属催化剂（Pt，Ru，Ir等）带来的高成本是制约电解水制氢技术大规模发展的关键难题。电解水过程的高能耗主要来源于电极极化、欧姆极化和浓差极化导致的高过电位。其中电极极化导致的阳极析氧（OER）过电位和阴极析氢（HER）过电位，特别是阳极析氧反应涉及4电子反应且动力学缓慢，是影响电解水能耗和效率的关键因素。电极极化主要与电极材料有关，因此电催化材料的活性对于降低电化学极化过电位进而降低能耗、全部电解水制氢效率起着至关重要的作用。
众所周知，铁系金属元素（Fe，Co，Ni）具有含量丰富、成本低廉、环境友好和催化活性好等优点，作为一大类低成本、高活性电解水催化材料引起了广泛的关注。近年来，随着电解水制氢研究热潮，如何将来源广泛、成本低廉的铁系过渡金属元素设计为高活性的电解水催化材料成为该研究领域的热点和亟待解决的问题。一般而言，理想的电解水催化剂应具有高的表面析氧/析氢电催化活性面积、高的电子传导率、良好的长程机械与电化学稳定性、小的气泡效应并且廉价易得等特点。
图1 自支撑FeP-Ni/NF纳米锥阵列的制备流程示意图。
基于此，刘光小组设计制备了自支撑FeP-Ni/NF纳米锥阵列并实现了其高效电解水析氧/析氢的双功能应用。该体系以泡沫镍为集流体，将泡沫镍浸渍在含有铁盐、磷源的混合溶液中，通过简单的油浴加热即可实现FeP-Ni在泡沫镍上的均匀沉积，同时不加磷源的情况下制备了FeOOH-Ni/NF作为对比（图1）。所制备的自支撑FeP-Ni/NF纳米锥阵列电极在1 M KOH电解液（pH=13.6）中仅需218 mV的析氧过电位和120 mV的析氢过电位即可实现10 mA/cm2的电流密度，并且表现出优异的长程析氧/析氢催化稳定性。更重要的是这种自支撑FeP-Ni/NF纳米锥阵列电极可以同时作为阳极和阴极来实现全分解水，仅需1.62 V的槽压即可实现10 mA/cm2全分解水的电流密度。进一步的分析表明该材料优异的电解水催化性能可以归因于NiFeP电极独特的三维纳米锥阵列结构，从而可以暴露更多的表面电催化活性位点、全部电荷传递效率，使得电极表面具有更好的电解液浸润性和气泡逸出速率（图2）。该研究为快速、高效制备高活性自支撑电解水催化电极材料提供了重要的研究思路和借鉴。
图2 （a）NF和（c）FeP-Ni/NF电极的电解液接触角图；（b）气泡逸出速率示意图；（d-g）在10分钟计时电压测试（100 mA/cm2）后，NF和FeP-Ni/NF电极表面的气泡分布图。
相关结果发表在Green Energy & Environment（DOI：10.1016/j.gee.2020.05.009）。
文章作者：Liu Guang*, Wu Yun, Yao Rui, Zhao Fei, Zhao Qiang, Li Jinping*
