三元镍基硫属化物纳米棒阵列的简单合成及其高效的电催化析氧性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210458

摘要/Abstract

摘要：

通过一步溶剂热法成功合成了泡沫镍（NF）支撑的三元镍基硫属化物（Ni₃（Se _x S_1-_x ）₂）纳米棒阵列。结构表征结果表明，所得三元Ni₃（Se _x S_1-_x ）₂纳米棒属于三方物相，在泡沫镍基底上形成了有序的阵列结构。由于其快速的载流子传输效率、丰富的活性位点和多阴离子的协同效应，Ni₃（Se_0.3S_0.7）₂/NF纳米棒阵列具有最佳的电催化性能。在1.0 mol/L的KOH溶液中，电流密度为50 mA/cm²时，过电势仅为344 mV，塔菲尔斜率为40.17 mV/dec，同时具有优异的电化学稳定性。更重要的是，以商用Pt/C为阴极，Ni₃（Se_0.3S_0.7）₂/NF纳米棒阵列为阳极进行全分解水实验，仅需要1.49 V的电池电位即可提供10 mA/cm²的电解电流，表现出良好的电解水效果。该研究为电解水技术领域提供了一种高效的电催化剂，也为电化学能源技术中非贵重电催化剂的合理构建提供了有价值的见解。

关键词: 三元, 硫属化物, 纳米阵列, 电催化析氧, 电解水制氢

Abstract:

Ternary nickel-based chalcogenide （Ni₃（Se _x S_1-_x ）₂） nanorod arrays supported by nickel foams（NF） are successfully synthesized by an one-step solvothermal method. Structural characterization results show that the obtained Ni₃（Se _x S_1-_x ）₂ nanorods belong to the trigonal phase and form an ordered array structure on nickel foams. Due to the fast carrier transfer efficiency， abundant active sites and the synergistic effect of poly-anions， Ni₃（Se_0.3S_0.7）₂/NF nanorod arrays have the optimal electrocatalytic performance. In 1.0 mol/L KOH solution， Ni₃（Se_0.3S_0.7）₂/NF nanoarrays have the overpotential of only 344 mV at 50 mA/cm²， Tafel slope of 40.17 mV/dec， and excellent electrochemical stability. More importantly， the overall water splitting is carried out with Ni₃（Se_0.3S_0.7）₂/NF nanorod array as the anode and the commercial Pt/C as the cathode. It is found that a battery potential of 1.49 V can provide the electrolysis current of 10 mA/cm²， showing the good electrocatalytic effect. This work provides an efficient electrocatalyst for the field of electrolysis water technology， and also provides valuable insights for the reasonable construction of non-precious electrocatalysts in electrochemical energy technology.

Key words: Ternary, Chalcogenide, Nanoarray, Oxygen evolution reaction, Hydrogen production by electrolysis of water

中图分类号:

O613.8

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图/表 6

图1 （A）Ni3（Se x S1-x ）2/NF系列材料的XRD表征；合成的Ni3S2/NF（B）、Ni3Se2/NF（C）和Ni3（Se0.3S0.7）2/NF（D）的扫描电子显微镜照片（插图为高放大倍数照片）

Fig.1 （A） XRD characterization of Ni3（Se x S1-x ）2/NF materials；SEM images of the synthesized products：Ni3S2/NF （B），Ni3Se2/NF （C） and Ni3（Se0.3S0.7）2/NF （D）（the inserts are the high-magnification ones）

图2 （A）从泡沫镍上剥落下来的Ni3（Se0.3S0.7）2的EDX图；（B）Ni3（Se0.3S0.7）2的HRTEM照片（插图为TEM图）

Fig.2 （A） EDX pattern of Ni3（Se0.3S0.7）2 peeled from NF；（B） HRTEM image of Ni3（Se0.3S0.7）2 （the insert is the TEM one）

图3 Ni3（Se0.3S0.7）2/NF的XPS图：（A）全谱图；（B） Ni2p；（C） S2p；（D） Se3d

Fig.3 XPS patterns of Ni3（Se0.3S0.7）2/NF：（A） full spectrum，（B） Ni2p，（C） S2p and （D） Se3d

图4 （A）所得电极材料的LSV曲线图；（B）在50和100 mA/cm2的电流密度下5种电极的过电位对比；（C）所得电极材料的Tafel曲线；（D）所得电极材料电流密度与扫速的关系图

Fig.4 （A） LSV curves of the obtained electrode materials；（B） Compared overpotentials of five electrodes at current densities of 50 and 100 mA/cm2；（C） Tafel curves of the obtained electrode materials；（D） The relationship between the current density and the scanning rate

图5 （A，B）所得电极不同放大倍数的EIS图；（C）Ni3（Se0.3S0.7）2/NF电极与其它镍基催化剂过电位的对比；（D） Ni3（Se0.3S0.7）2/NF电极经过1000次循环伏安测试后的LSV对比曲线（插图是Ni3（Se0.3S0.7）2/NF电极的i-t曲线）

Fig.5 （A，B） EIS diagrams at different magnifications of the obtained electrodes；（C） Overpotential comparison between Ni3（Se0.3S0.7）2/NF electrodes and other nickel-based catalysts；（D） Compared LSV curves of Ni3（Se0.3S0.7）2/NF electrode after 1000 cycles of cyclic voltammetry（the insert is the amperometric i-t curve of Ni3（Se0.3S0.7）2/NF electrodes）

图6 （A） Ni3（Se0.3S0.7）2/NF Pt/C/NF 电解槽在全电解水制氢过程的照片；（B）Ni3（Se0.3S0.7）2/NFPt/C/NF和IrO2/NFPt/C/NF电解槽在1.0 mol/L KOH电解液中进行全分解水制氢的LSV对比曲线（插图是电解槽的i-t曲线）

Fig.6 （A） Overall water splitting photographs of Ni3（Se0.3S0.7）2/NF Pt/C/NF electrolysis cell；（B） Compared LSV curves of Ni3（Se0.3S0.7）2/NF Pt/C/NF electrolysis cell in 1.0 mol/L KOH electrolyte for overall water splitting to produce hydrogen （the insert is the amperometric i-t curve of the electrolysis cell）

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