纳米多孔Ni、Ni3S2/Ni复合电极的制备及其电催化析氢性能

采用脱合金化和水热合成的方法制备纳米多孔Ni和纳米多孔Ni₃S₂/Ni复合电极。通过N2吸附-脱附测试、XRD、SEM、TEM等方法表征电极的孔径分布、物相和微观结构。在1 mol·L^-1的NaOH溶液中,运用线性扫描伏安(LSV)曲线、交流阻抗(EIS)谱图、恒电流电解法等测试电极的电催化析氢性能。结果表明:在电流密度为50 mA·cm^-2时,与纳米多孔Ni相比,Ni₃S₂/Ni合金具有更低的析氢过电位以及更高的析氢活性,同时纳米多孔Ni₃S₂/Ni复合电极具有更低表观活化能和电子转移阻抗,进一步明确了过渡金属硫化物对电催化析氢性能的特殊贡献。     

纳米多孔Ni和NiO的制备及电催化析氧性能

采用快速凝固与脱合金相结合的方法制备了纳米多孔Ni, 经热处理氧化获得纳米多孔NiO, 利用X射线衍射仪(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)和氮气吸附-脱附仪(BET)对纳米多孔Ni和NiO的物相、 形貌结构和孔径分布进行了表征, 并通过循环伏安、 稳态极化和电化学阻抗分析研究了电极的电催化析氧性能. 结果表明, 由Ni₃₀Al₇₀所得纳米多孔Ni具有多层次纳米多孔结构, 在10 mA/cm ²电流密度下析氧过电位仅为224 mV, 交换电流密度为0.63297 mA/cm ², 表观活化自由能为40.297 kJ/mol, 经1000次循环后, 过电位降低了5 mV(j=10 mA/cm ²), 表现出良好的催化稳定性和耐久性; 热处理氧化降低了NiO的比表面积与电化学活性面积, 平衡电位下扩散传质速率明显减小, 析氧活性较Ni电极有所下降.     

尖晶石型过渡金属硫化物CuCo2S4与MoS2复合材料的制备及电催化析氢性能

通过简单的三步水热法实现尖晶石型过渡金属硫化物CuCo₂S₄与MoS₂的复合, 以三维多孔泡沫镍(NF)为基底, 制得自支撑催化电极MoS₂@CuCo₂S₄-Ni₃S₂/NF. 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、 X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)、 扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)表征结果表明, MoS₂纳米片层密集均匀地生长在CuCo₂S₄-Ni₃S₂纳米棒表面, 并形成多级核壳结构. 其碱性条件下(1 mol/L KOH)的电催化析氢性能研究结果表明, MoS₂与CuCo₂S₄的复合和特殊形貌的构筑有效提高了电化学活性面积和电子传导效率, 达到10, 100和300 mA/cm²电流密度分别仅需116, 231和282 mV的过电位, 经2000次循环伏安扫描后, 100 mA/cm²电流密度所对应的过电位仅增大6%, 展现出优异的电催化析氢催化活性及较好的稳定性.     

RuO2修饰纳米多孔Ni-Mo复合电极及其电催化析氢性能

采用脱合金化结合胶体聚沉的方法制备了纳米多孔Ni/RuO_2、Ni-Mo/RuO_2复合电极材料。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对电极材料的物相、元素组态、形貌结构、孔径大小和结晶度进行表征,并通过线性扫描伏安、交流阻抗以及循环伏安等方法测试多孔电极的电催化析氢性能。分析结果显示:RuO_2由于聚沉作用包覆在Ni基合金的骨架表面。Mo的加入使Ni-Mo合金非晶化的同时,促使其骨架细化,形成双连续的纳米多孔结构。Mo与RuO_2的加入以及Mo含量的增加均提高了电催化析氢性能。纳米多孔Ni_(2.5)Mo_(2.5)/RuO_2复合电极在50 mA·cm~(-2)的电流密度下析氢过电位为182 mV。     

多孔Ni、Ni-Mo合金及其氧化物的制备与析氢性能

采用快速凝固结合脱合金化的方法制备了纳米多孔Ni、Ni-Mo合金及其氧化物电极材料,通过XRD、SEM、TEM、BET等对电极的物相、形貌结构、孔径分布进行表征,通过线性扫描伏安法、Tafel斜率和计时电位等方法测试多孔电极的电催化析氢性能。结果显示,制备的电极材料在10 mA·cm-2电流密度下Ni-Mo合金析氢活性最强,析氢过程由Volmer-Heyrovsky步骤控制,其表观交换电流密度为0.25 mA·cm-2,经10 000 s恒电流密度(100 mA·cm-2)电解后析氢过电位(η)仅增加39 mV,表现出优良的析氢稳定性。Ni-Mo合金电极比表面积的提高和本征催化活性的改善使其获得了更低的析氢过电位。     

Ni-Co/RuO2复合电极的制备及其电催化析氢性能

采用快速凝固结合去合金化的方法制备纳米多孔Ni-Co合金,利用RuO_2对Ni-Co合金进行表面修饰,通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)对多孔材料进行物相分析和形貌表征,并通过线性扫描伏安法、多电位阶跃法、交流阻抗法和恒电流电解法测试多孔电极的电催化析氢性能。结果表明,Ni-Co/RuO_2复合电极材料在50 mA·cm~(-2)电流密度下析氢过电位为180 mV,析氢过程由Volmer-Heyrovsky步骤控制,交换电流密度为4.42 mA·cm~(-2),经10 h恒电流电解后电位仅增加20 mV,表现出良好的析氢稳定性。     

还原氧化石墨烯修饰泡沫镍原位负载MnO2对H2O2电还原反应催化性能的研究

采用两步易操作的水热法制备了还原氧化石墨烯（rGO）修饰泡沫镍（Ni foam）基体原位负载MnO₂纳米片（MnO₂/rGO@Ni foam）催化剂电极.通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）对电极的微观形貌和组成进行了表征.利用循环伏安法和计时电流法对电极对H₂O₂电还原反应的催化性能进行了系统的测试.根据测试结果得知,电极在3 mol/L NaOH和1 mol/L H₂O₂溶液中表现出最佳的催化性能.在该溶液中,当电位为－0.8V时,H₂O₂电还原反应的电流密度可以达到240 mA/cm²,高于同等条件下MnO₂直接生长在Ni foam上的电流密度180mA/cm².通过不同温度下的极化曲线计算出了在该电极上H₂O₂电还原反应所需的活化能大小为21.53 kJ/mol,明显低于文献中报道的数值.对比实验结果表明rGO的加入显著地改善了MnO₂催化剂的催化性能与稳定性.     

(Ag,Au)/MoS2的电解水性能及等离激元光热作用

MoS₂是电解水体系的一种备受关注的非贵金属析氢催化剂,优化其活性位点是提高其活性的研究重点.采用水热法在三维导电碳布(CC)上合成了二维片状Mo S₂,将反应温度从200℃调至180℃可保留具有更多活性位点的1T相,相应的Mo S₂(180)/CC电极表现出相对更低的析氢过电位.利用电化学方法在Mo S₂(180)/CC上分别沉积Ag和Au纳米粒子,得到Ag/Mo S₂(180)/CC和Au/Mo S₂(180)/CC电极.扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)表征结果以及无光照、光照和加热条件下电化学极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)和Tafel斜率的测试结果表明,20 nm Ag和30 nm Au的负载及光照条件均可降低析氢过电位和增加电流密度,而体系温升的作用与金属的种类有关.利用COMSOL Multiphysics软件构建Mo S₂,Ag/Mo S₂和Au/Mo S<...     

Ni-Sn电极析氢性能研究

在Fe基底材料上电镀Ni_Sn合金制备低析氢过电位的阴极活性材料 .该材料适用于氯碱工业隔膜型电解槽 ,可达到降低槽压、节能降耗的目的 .在电解槽阴极溶液NaOH 12 0 g/L ,NaCl190 g/L ;温度 90℃ ,阴极极化电流密度i=15 0mA/cm2 的条件下 ,测得其析氢过电位为 88mV .X射线衍射分析表明 ,该种材料与传统装饰用Ni_Sn合金的结构状态有所不同 .采用循环伏安法对Fe电极和Ni_Sn合金电极进行分析 ,可初步判断Ni_Sn合金对氢的吸附较弱 ,有利于析氢反应的进行     

SnO2/GDE阴极的制备及电催化还原CO2产甲酸性能

采用低温水热合成法制备了碳纸基底的SnO₂气体扩散电极(SnO₂/GDE), 并对其物化特性与催化还原CO₂产甲酸性能进行了研究. 扫描电子显微镜、 X射线衍射及X射线光电子能谱表征结果表明, 在60, 75, 100 ℃下制备的催化剂均为分散性良好的纳米SnO₂粉体, 其粒径分别为7.9, 11.8和12.9 nm. 循环伏安、 线性扫描伏安和电化学交流阻抗测试结果显示电极均具有优异的电催化活性, 其电化学活性表面积分别为150, 470, 240 cm ², 通过等效电路拟合后电阻分别为8.5, 3.9, 6.6 Ω·cm ². 在-1.8 V(vs. SCE)电位下电解, 通入电量500 C时, 电极都具有较高电催化还原CO₂产甲酸性能, 而75 ℃下制备的电极性能最佳, 产甲酸电流密度为22.8 mA/cm ² , 产甲酸法拉第效率高达93.5%; 该电极经过20 h长时间电解后, 产甲酸电流密度可维持在12.8 mA/cm ² , 产甲酸法拉第效率稳定在约65%.     

Asymmetric supercapacitors based on high capacitance Ni6MnO8 and graphene

A fast, facile and cost-effective method is used to synthesize Ni₆MnO₈ electrode with high electrochemical performance. The supercapacitor based on Ni₆MnO₈ electrode exhibits excellent stability, high area specific capacitance and promising energy and power density.     

MOF衍生的分层多孔三维N-CoPx/Ni2P大电流密度下加速析氢

氢气(H₂)具有能量密度高、环境友好等优点,是一种很有前景的清洁能源载体.目前,电催化水裂解大规模制氢被认为是一种理想可行的方法.析氢反应(HER)涉及多个步骤,首先形成吸附的氢(Volmer步骤),然后是脱附步骤(Heyrovsky步骤)或两个相邻的吸附氢形成H₂(Tafel步骤).与酸性介质相比,碱性介质中的HER可与现有的析氧反应(OER)催化剂偶合,降低电解水的设备成本,因此研究碱性条件下HER更具应用价值.但是,HER在碱性介质中不可避免地需要打破较强的共价键H–O–H,动力学缓慢,导致需要高过电位驱动反应.因此,开发适用于广泛的pH范围,特别是碱性介质高催化活性的催化剂,成为当务之急.金属铂是最高效的HER催化剂,但昂贵的价格严重阻碍了其在电解水中的大规模商业化应用.因此,开发过电位低和稳定性持久的非贵金属催化剂,特别是可以在大电流密度(>500 mA cm^-2的质子交换膜和碱性电解槽)下稳定工作的催化剂,对实际工业应用至关重要.过渡金属磷化物(TMPs),尤其是CoP和Ni₂P在HER中表现出了较好的催化活性,引起广泛关注.但是,有限的电子结构、低电导率和大电流密度测试过程中的团聚仍然是限制其实际应用的瓶颈.近年来,具有金属可调性、多孔型结构、高比表面积和多交叉开放通道的金属有机骨架(MOFs)已被证明是制备TMPs的理想前驱体.但是,在高温煅烧过程中无法避免MOF结构坍塌,导致开放通道和电导率降低,限制了电子/离子的传输以及在高电流密度下的电催化活性.本文通过TMPs和Co-MOF之间的简单拓扑化学转化制备了一种自支撑结构的N掺杂二元TMPs电催化剂(N-CoP_x/Ni₂P),以Co-MOF作为模板和前驱体,一部分泡沫镍原位磷化成Ni₂P,形成异质结构的双金属磷化物.扫描电镜和透射电镜结果表明,该催化剂呈三维多孔结构,有利于充分暴露活性位点.通过X射线光电子能谱分析了催化剂表面化学状态,发现形成了Co–N键,说明N掺杂成功.通过电化学测试结果表明,N-CoP_x/Ni₂P在全pH范围内表现出较好的HER活性,尤其在碱性介质中,当电流密度为650 mA cm^-2时,仅需要152 mV过电位.催化剂转化率为3.2 s^-1,法拉第效率接近100%,该催化剂在200 mA cm^-2电流密度下连续工作24 h无明显衰减.密度泛函理论计算表明,N-CoP_x/Ni₂P催化活性的增强归因于氮掺杂及双金属磷化物的协同作用提高了催化剂的本征活性位点,从而优化了氢吸附能和水结合能.综上,本文为廉价电催化剂的工业化应用提供了一种有前景的策略.     

High performance hybrid supercapacitor based on hierarchical MoS2/Ni3S2 metal chalcogenide

Herein, we synthesized hierarchical MoS₂/Ni₃S₂ structures as electrode materials grown on nickel foam by a facile hydrothermal strategy. The hierarchical MoS₂/Ni₃S₂ structures show high specific capacitance.     

Hydrothermal Synthesized Co-Ni3S2 Ultrathin Nanosheets for Efficient and Enhanced Overall Water Splitting

We used the one-step hydrothennal controlled synthesis method for Co-Ni3S2 ultrathin nanosheets grown directly on nickel foam(NF).The as-synthesized Co-Ni3S2/NF showed eiilianced activities in the hydrogen evolution reaction(HER),oxygen evolution reaction(OER)and better overall water splitting(OWS)efficiency than the iin-doped Ni3S2/NF.the voltage of Co-Ni3S2/NF for OWS was only 1.58 V at the current density of 10 niA/cm^2 and with long time(>30 h)current output during the current-density(i-t)test.The good i-t pertonnance was also observed in both HER and OER processes.Additionally,the Co-Ni3S2/NF showed a large current density(>1A/cm^2)for both HER and OER.Wlien the current densities reached 100 and 1000 mA/cm^2,the required overpotentials tor Co-Ni3S2/NF were 0.35 and 0.75 V for OER and 0.30 and 0.85 V for HER.Therefore,after introducing Co,the activity of Ni3S2-based material was strongly enhanced.     

Ni3S2@碳纳米管复合材料的制备及其储钠性能

采用一步固相煅烧工艺制备了碳纳米管原位封装Ni₃S₂纳米颗粒（Ni₃S₂@CNT）,并研究了其作为钠离子电池（SIBs）负极材料的电化学性能. 通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、循环伏安测试、恒流充放电以及交流阻抗等研究了Ni₃S₂@CNT的物相结构、形貌特征以及电化学性能. 电化学测试表明,材料在100 mA·g ^-1电流密度下,放电容量可以达到541.6 mAh·g ^-1,甚至在2000 mA·g ^-1的大电流密度下其放电比容量也可以维持在274.5 mAh·g ^-1. 另外,材料在100 mA·g ^-1电流密度下,经过120周充放电循环后其放电和充电比容量仍然可以保持在374.5 mAh·g ^-1和359.3 mAh·g ^-1,说明其具有良好倍率性能和循环稳定性能. 良好的电化学性能归因于这种独特的碳纳米管原位封装Ni₃S₂纳米颗粒结构. 碳纳米管不但可以提高复合材料的导电性,也可以缓冲Ni₃S₂纳米颗粒在反复充放电过程中产生的体积膨胀效应,明显改善了Ni₃S₂@CNT负极复合材料的电化学性能.     

Nature-inspired Three-dimensional Au/Spinach as a Binder-free and Self-standing Cathode for High-performance Li-O2 Batteries

Design and fabrication of functional porous air cathode materials with superior catalytic activity is still the key point for non-aqueous lithium-oxygen(Li-O₂) batteries. Herein, inspired by the self-standing three-dimensional(3D) structure of the natural spinach leaves, a unique binder-free and self-standing porous Au/spinach cathode for high-performance Li-O₂ batteries has been developed. The carbonized spinach leaves serve as a superconductive current collector and an ideal porous host for accommodating catalysts. The Au/spinach cathode could offer enough spaces for accommodating the discharge products, shorten the distance of the oxygen and electrolyte diffusion, and promote the oxygen reduction reaction(ORR) and oxygen evolution reaction (OER) processes. This optimized Au/spinach cathode achieved a high specific area capacity of 7.23 mA‧h/cm² at a current density of 0.05 mA/cm² and exhibited excellent stability(280 cycles at 0.05 mA/cm² with a fixed capacity of 0.2 mA‧h/cm²). The superior performance encourages the construction of more advanced cathode architectures by the use of bio-composites for Li-O₂ batteries.     

One-step synthesis of Fe-Ni hydroxide nanosheets derived from bimetallic foam for efficient electrocatalytic oxygen evolution and overall water splitting

For the first time, the Fe-Ni LDH nanosheets were prepared through simple one-step hydrothermal treatment of Fe-Ni bimetallic foam both as the substrate and Fe/Ni sources. The ratio of Ni/Fe elements played the important role in realizing the optimal catalytic activities for oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER). An alkaline water electrolyzer was constructed with the Fe-Ni hydroxide nanosheets/Fe-Ni alloy foam-60% Fe as anode and Ni(OH)₂/Fe-Ni alloy foam-25% Fe as cathode, which displays superior electrolytic performance (affording 10 mA/cm² at 1.62 V) and lasting durability.     

Co诱导双位点协同效应实现高效肼电催化氧化

作为一种重要的能量载体,肼(N₂H₄)具有能量密度高、反应动力学快、常温下呈液态和燃烧无含碳副产物生成等优点,因此,肼电氧化反应(HzOR)成为解决能源危机以及相关环境问题的理想选择之一.与传统的氢和醇基燃料电池相比,直接肼燃料电池(DHFC,N₂H₄/O₂,E_OCP=1.56 V)更适合实际应用.然而,DHFC受到HzOR缓慢动力学的限制,导致较高的过电位和较大的电池电压损耗,因此,距离实现商业化仍有一定差距.此外,N₂H₄辅助水分解系统(HAWS)用于制氢,可以显著降低水分解的电解槽电压,以实现节能制氢.因此,迫切需要开发性能优异的HzOR催化剂和进行深入的理论研究.长期以来,过渡金属磷化物由于具有良好的HzOR催化活性而备受关注,但是其本征活性较低,且对其催化机理研究不够深入.人们希望更好地了解金属磷化物上肼电氧化的电化学反应行为,同时大量研究表明可以通过优化反应动力学来提升催化体系性能.本文通过钴调节Ni₂P电极表面的HzOR,引入双活性位点效应从而优化肼的脱氢动力学.通过简单地在Ni₂P中掺杂Co,(Ni_0.6Co_0.4)₂P电极上仅需113 mV即可驱动50 mA cm^–2,明显低于Ni₂P(174 mV)和Co₂P(180 mV).组装的DHFC对(Ni_0.6Co_0.4)₂P电极的峰功率密度为263.0 mW cm^–2,比Ni₂P(200.8 mW cm^–2)和Pt/C(131.8 mW cm^–2)分别高30%和99.5%,展现出了应用潜力.与此同时,(Ni_0.6Co_0.4)₂P电极耦合Co₂P析氢电极组成肼辅助水分解体系,两电极极化曲线结果表明,此系统驱动10 mA cm^–2的电流密度只需要0.228 V的超低电解槽电压.然而,相同条件下完整水分解体系需要高达1.784 V的电解槽电压来驱动相同的电流密度.可见,HAWS系统用HzOR代替OER制氢具有可行性和实用性实验和理论研究结果表明,Co掺杂可以显著降低N₂H₄在Ni位点上的吸附能,并改变HzOR的决速步骤.对应的(Ni_0.6Co_0.4)₂P电极表面HzOR的塔菲尔斜率为136 mV dec^–1,介于Co₂P电极(216 mV dec^–1)和Ni₂P电极(121 mV dec^–1)之间,并且决速步骤的能垒也显著地降低(0.37 vs.0.75 eV),表明Co的引入显著地调谐了Ni₂P的电子结构,实现了与HzOR更匹配的催化剂设计.与此同时,对反应过程中的活性位点分析表明,Co的引入还可以作为最佳反应配位条件下的中心活性位点,以降低RDS对HzOR的自由能.     

三维多孔Sn-Zn合金电极助力Zn的均匀沉积/剥离

通过在化学镀构建的三维多孔铜上电沉积锡-锌(Sn-Zn)合金, 构筑了孔径为5 μm左右的三维多孔 Sn-Zn合金电极(3D Sn-Zn), 对其形貌、 结构和性能进行了表征和测定. 结果表明, 该电极拥有高稳定性和适宜孔径的三维多孔结构, 可降低局部电流密度, 提供均匀的电场分布, 缓解了由于锌的不均匀生长而造成的粗大枝晶; 合金镀层中的Sn元素不仅可以增大析氢过电位, 增强电极的防腐蚀性能, 还可降低锌的形核势垒, 为锌的沉积提供丰富的形核位点, 促进锌在电极表面的均匀沉积, 减少枝晶的形成. 采用3D Sn-Zn电极组装的对称电池, 在0.5 mA/cm² 下可稳定循环超过1200 h, 电压滞后仅为21.3 mV; 而采用锌片(2D Zn)组装的对称电池电压滞后达到了99.2 mV, 且在循环300 h后开始出现剧烈的电压波动. 使用3D Sn-Zn电极组装的全电池在 1.8 A/g电流密度下可稳定循环2000次.