聊城大学和中国航空制造技术研究院–FeNiS2/还原氧化石墨烯电催化和重构生成FeNi氧化物/氢氧化物作为高效水氧化电催化剂

发展高活性、低成本的析氧电催化剂是解决环境污染和能源问题的关键，而铁镍基纳米材料在这方面有很大的应用前景。本文通过水热加后续硫化法得到了在碱性环境下具有优异电催化OER性能的 (Fe_0.33Ni_0.67)S₂及(Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-x% (x=10, 20)复合电催化材料。由于(Fe_0.33Ni_0.67)S₂的集成结构和导电石墨烯骨架的支撑，在电流密度为10 mA·cm^-2时，(Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-20%电催化剂的过电压仅为172 mV，塔菲尔斜率为45 mV·decade^-1。为了探索活性位点及催化中心，在OER反应前后对催化剂的组成、相和表面氧化态进行了对比分析。结果表明，在OER反应后，硫化铁镍被氧化，反应后的材料变成了无定型态Ni-Fe氧化物/氢氧化，它们很可能作为催化中心在OER中起着重要的作用。而且，在两电极全解水体系中，(Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-20%/NF及Pt/C/NF分别作为阳极及阴极，在电流密度为10 mA·cm^-2，电压仅为1.42 V时，这些催化剂表现出优异的催化性能。

图1. FeNiS_2/rGO复合材料的制备流程。

图2. (a) NiS₂， (Fe_0.33Ni_0.67)S₂， (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-10%和(Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-20%的XRD图谱;(b) (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-20%和GO样品的拉曼光谱。

图3. (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-20%样品的(a) Ni 2p、(b) Fe 2p、(c) S 2p和(d) C 1s的XPS谱

图4. (a-d) (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-20%的SEM图像和(e)相应的EDS元素映射图。

图5. (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-20%的(a, b)TEM和(c, d) HRTEM图像。

图6. 催化剂的OER测量: (a) (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-20%/NF, (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-10%/NF, (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/NF, NiS₂/NF, RuO₂/NF和 Ni泡沫的LSV曲线;(b)过电位达到电流密度为10、50和100 mA·cm^-2;(c) (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-20%/NF, (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-10%/NF, (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/NF, NiS₂/NF, RuO₂/NF和 Ni泡沫的Tafel图;(d) (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-20%/NF, (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/NF, RuO₂/NF和 Ni泡沫在1.0 mol·L^-1 KOH中的Nyquist图，其中Z’为阻抗实部，Z”为阻抗虚部。

图7. 1.0 mol·L^-1 KOH，不同扫描速率下(a) Ni泡沫, (b) NiS₂/NF, (c) (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/NF和(d)(Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-20%/NF的CV曲线;(e)对应催化剂的电化学双层电容(C_dl)。

图8. OER测试后(Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-20%的SEM图和XRD图。

图9. (a)(Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-20%/NF//Pt/C/NF、RuO₂/NF//Pt/C/NF和Ni泡沫//Ni泡沫的LSV曲线；(b)电流密度为10mA·cm^-2时的电位；(c) (Fe_0.33Ni_0.67)S₂/rGO-20%/NF//Pt/C/NF在1.6 V恒电位下的I-t曲线。

相关研究成果由聊城大学材料科学与工程学院Xiao-Zhen Ren和中国航空制造技术研究院Xiao-Bai Wang等人于2022年发表在Journal of Energy Storage (https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103142)上。原文：FeNiS₂/reduced graphene oxide electrocatalysis with reconstruction to generate FeNi oxo/hydroxide as a highly-efficient water oxidation electrocatalyst。