华东师范大学Yulu Zhang等人–在N-掺杂还原氧化石墨烯上生长的铁掺杂硫化镍纳米颗粒作为析氧反应的高效电催化剂

过渡金属硫化物电催化剂因其在析氧反应(OER)中的优异活性而受到广泛关注。本文通过水热和硫化相结合的方法，成功制备了功能化N-掺杂还原氧化石墨烯(Fe-NiS/NrGO)负载的高效铁掺杂硫化镍催化剂。铁掺杂改变了NiS的电子结构，加速了OER动力学。NrGO具有较大的比表面积和高导电性，促进了Fe-NiS纳米颗粒的均匀分散，增加了活性催化面积，加快了电荷转移速率。Fe-NiS(2)/NrGO表现出优异的OER性能，在1.0 M KOH条件下，过电位为344 mV，电流密度为100 mA cm^-2, Tafel斜率低至47 mV dec^–1。Fe-NiS(2)/NrGO的OER性能优于商用RuO₂。这项工作最终将有助于在未来的OER技术中合理设计高效的过渡金属催化剂。

图1. Fe-NiS/NrGO样品制备示意图。

图2. Fe-NiS(1)/NrGO、Fe-NiS(1.5)/NrGO、Fe-NiS(2)/NrGO、Fe-NiS(2.5)/NrGO和Fe-NiS(3)/NrGO的a) LSV曲线和b) Tafel斜率。rGO、NrGO、FeS/NrGO、NiS/NrGO、Fe-NiS(2)、Fe-NiS(2)/NrGO和RuO₂的c) LSV曲线和d) Tafel斜率。

图3. a)样品的过电位(10和100 mA cm^-2时的电流密度)和Tafel图。b) rGO、NrGO、FeS/ NrGO、NiS/NrGO、Fe-NiS(2)、Fe-NiS(2)/NrGO和RuO₂的电化学阻抗谱。c) Fe-NiS(2)、Fe-NiS(2)/NrGO、NrGO的双层电容。d) 1.0 M KOH条件下FeNiS(2)/NrGO的时间电位曲线。

图4. a) Fe-NiS(2)/NrGO的XRD谱图。b) rGO和NrGO的XRD谱图。c) rGO、NrGO和Fe-NiS(2)/NrGO的拉曼光谱。d),e),f)NrGO、Fe-NiS(2)和Fe-NiS(2)/NrGO的氮吸附/解吸等温线。

图5. Fe- NiS (2)/NrGO的XPS峰反褶积X-射线光电子能谱，a)样品测量谱，b)C1s, c) N1s, d) Fe 2p, e) Ni 2p, f) S 2p。

图6. (a, b) NrGO和(c, d) Fe-Ni(2)/NrGO的SEM图像。(e)Fe-Ni(2)/NrGO的EDX元素映射图。

图7. Fe-NiS(2)/NrGO的TEM(a)和HRTEM(b)图像。

相关研究成果由华东师范大学上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室Yulu Zhang等人于2023年发表在Journal of Electroanalytical Chemistry (https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2023.117323)上。原文：Iron-doped nickel sulfide nanoparticles grown on N-doped reduced graphene oxide as efficient electrocatalysts for oxygen evolution reaction。