摘要
为了降低过度利用传统化石能源对环境的影响，开发以氢能为代表的清洁能源具有重要的现实意义。电解水制氢技术具有工艺成熟、能量转换效率高等特点，能规模化生产高纯氢气，在可再生能源技术的发展中起着至关重要的作用。然而，析氧反应（oxygen evolution reaction，OER）的高过电位制约着水分解整体效率的进一步提升。同时，贵金属催化剂（如 IrO2和RuO2）高昂的成本也难以满足商业化的需求。因此，电解水制氢技术一直未能在工业上获得更大规模的应用。开发具有高效性能的非贵金属OER催化剂成为推动这一技术继续发展的首要目标。 针对上述问题，本工作以廉价的半导体材料镍铁磷化物和硫化物作为研究对象，通过组分和结构的调控，合成了一系列负载在三维泡沫镍上的磷化物/硫化物异质结材料，系统地研究了其电催化水分解的性能并详细阐述了异质结构在优化材料OER活性中起到的重要作用，为合理开发高效、廉价的非贵金属异质结催化剂提供了新的设计思路。论文主要内容如下： （1）以半导体物理理论为基础，提出了以 Ni 硫化物作为导电骨架、NiFe磷化物同时作为导电骨架和催化活性层来构建p-p异质结的合成策略，并制备得到了分层结构的异质结NiFe-PS。具有典型半导体性质的Ni硫化物和NiFe磷化物提高了材料整体电导率，异质结中自发产生的内建电场促进了电子在材料内部的传输。 （2）NiFe-PS仅需要256 mV的过电位即可达到100 mA·cm-2的电流密度，其Tafel斜率仅有53.7 mV·dec-1，同时其270 mV过电位下的TOF为0.175 s-1。NiFe-P/Ni3S2的电催化性能优于大多数最近报道的其他磷化物催化剂，是目前OER性能最好的磷化物材料之一。 （3）NiFe-PS 的磷化物外壳对高氧化电位的耐受性能有效防止材料整体结构的退化，其在100 mA·cm-2的电流密度下连续运行超过125 h后活性没有明显衰减。NiFe-PS与商业Pt/C组成的电极对只需1.60 V的电压就能驱动50 mA·cm-2的电流密度，在该电流密度下可以平稳运行超过27 h，同等条件下要比最先进的RuO2 || Pt/C电极对的性能更加优异。
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