摘要
全球人口增长和工业发展导致能源需求不断增加，之前主要是通过消耗碳基资源来满足发展需求。然而，这些传统能源不可再生且对环境的危害日益加重，因此，全球将重心转移到零碳经济上。氢能能量密度高且副产物无害被认为是理想选择之一。目前，结合太阳能、风能等发电系统与电催化水分解技术为产氢和储氢提供了一个有前景的解决方案。对于高效产氢而言，水分解的两个半反应（析氢反应和析氧反应）都必须以最佳效率进行。析氢反应（HER）遵循简单的机制且可以在低过电位下由许多金属或金属氧化物催化，铂碳电极（Pt/C）是目前效率最高的催化剂。此外，电催化分解水还要面临的挑战是析氧反应（OER）的缓慢速率，其通过具有高活化能的几个步骤进行，对于四个电子的转移需要大的过电势。用于制氧的高效催化剂是铱和钌氧化物（RuO2/IrO2），但和Pt/C一样，高昂且丰度低严重限制了它们的大规模应用。更具吸引力的替代品双功能催化剂已被深入探索，如丰富且低成本的过渡金属基化合物。这些过渡金属包含d轨道电子或者空的d轨道，能够在反应中提供孤对电子或者空轨道，形成中间产物，降低反应活化能，促进反应进行。其中，CoFe2O4作为过渡金属氧化物已被深入研究，因其组分可调节、氧化还原反应丰富以及低成本等优点被认为具有极大的应用前景，但其导电性较差，且缺乏有效的活性位点，因此仍存在较大的提升空间。基于以上讨论设计了两种CoFe2O4基全水分解电催化剂。 （1）利用水热法和气相磷化法成功合成CoFe2O4@Ni2P/NF复合材料催化剂。该催化剂的“类蜂窝状”结构能够促进电解质进入电极内部，增加电化学活性表面积。P元素的引入能够改变金属原子周围的电子结构，形成金属-P键，促进电子转移。此外，氧化物和磷化物之间的协同作用也能够加速水分解效率。对其进行电化学性能测试，该材料显示出优越的综合性能，在HER方面，需要施加55mV的电压实现10mAcm-2；在OER方面，施加261mV的电压实现100mAcm-2。利用CoFe2O4@Ni2P/NF组装的全水分解装置施加1.47V的电压就可以实现10mAcm-2。同时在100mAcm-2的电流密度下能够运行50h以上。 （2）利用水热法和空气退火的简单方式成功地在泡沫镍上合成了In-CoFe2O4/NiSe2复合材料催化剂，这种立体异质结构由接近垂直排列的纳米片框架及其表面均匀生长的纳米颗粒所组成。纳米片阵列作为支架减少了团簇现象，且在材料内部构建出充足的质量/电子转移通道，同时为催化系统长期运行提供了结构保证。纳米颗粒结构为催化反应提供了大量的催化活性位点，促进反应中间体的吸附和脱附行为。此外，硒化物的强电导率加快了电子转移速率。电化学测试结果表明，In-CoFe2O4/NiSe2具有优异的双功能催化活性和稳定性。不仅只需要施加较低的电压就可以实现高电流密度，同时在碱性条件下也能够保持超长稳定性。将In-CoFe2O4/NiSe2同时作为阴阳两极催化剂的水分解系统施加1.43V的电压就可以实现10mAcm-2的电流密度。
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