济南大学前沿交叉科学研究院周伟家教授课题组文章—— 磁感应加热快速制备电催化剂用于水分解

第一作者：熊国伟；

通讯作者：贾进，周伟家

通讯单位：济南大学

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202009580

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本文利用磁感应加热的方法在泡沫镍基底上快速制备多种催化剂用于电催化水分解

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背景介绍

电解水产氢是一种可有效缓解能源危机的技术，电催化分解水需要施加大于热力学所需的1.23 V的电压才能被驱动，为了降低能耗，可以开发高效的电催化剂降低水分解过程中产氢和产氧的过电位。Pt/C和RuO2分别作为优异的产氢和产氧电催化剂可有效降低水分解电压，然而其价格昂贵，过渡金属化合物像磷化物，硫化物，氮化物，氧化物等近年来受到研究人员的广泛关注，其中，钼基电催化剂如MoS2，Mo2C，MoO2和MoNi合金已经被广泛用于电催化水分解研究，有望成为贵金属催化剂的替代物。

研究出发点

目前，大多数电催化剂是通过水热法和管式炉煅烧法制备得到的，这些方法具有升温降温速率慢的特点（辐射的方式进行加热），最近，微波加热和焦耳加热作为两种新型加热方式已经被广泛用来制备纳米材料，这两种方法均具有局部和快速加热的特点，从而可以用来高效地制备电催化剂。与之类似，感应加热也是一种快速且局部加热的方法，其是基于法拉第电磁感应定律原理，即闭合导体在快速变化的磁场内部可以产生焦耳热，利用此热量可以用来快速合成纳米材料，本研究选取具有感应加热效应的泡沫镍既作为自加热介质又作为基底，利用感应加热在其上生长多种电催化剂用于电催化水分解。

图文解析

传统辐射加热与感应加热对比

传统辐射加热（如管式炉煅烧）是加热的电阻丝通过介质（如空气）将热量传递到目标产物内部，升温速率通常在5~20 ℃/min，因此需要较长的时间达到与电阻丝相同的温度；感应加热直接在目标产物内部产生热量，目标产物自身温度很高，但其周围的环境基本保持在室温，是一个局部加热的过程，具有非常高的升温速率，可以在不同环境（溶液或气氛）下加热目标物，在空气中感应加热的升温速率可达10 ℃/s。

 图1. 传统辐射加热（a-c），液相感应加热（d-f），气相感应加热（g-i）的示意图、有限元仿真模拟和实际温度-时间变化曲线

感应加热制备电催化剂及相应的表征

首先通过感应加热泡沫镍在水溶液中成功制备了NiMoO4纳米线（NiMoO4/NF-IH）和NiFe层状双金属氢氧化物（NiFe LDH/NF-IH），扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）照片证实了它们的形貌分别为纳米线和纳米片，同时证实存在缺陷，X射线光电子能谱证实制备的NiMoO4和NiFe LDH的存在元素和化学状态。

 图2. （a-d）NiMoO4/NF-IH和（e-h）NiFe LDH/NF-IH的SEM照片、TEM照片和相应的能量色散光谱（EDS）元素分布mapping；（i-j）NiMoO4/NF-IH和NiFe LDH/NF-IH的X射线光电子能谱谱图。

以在水溶液制备得到的NiMoO4作为前驱体，进一步在Ar/H2还原气氛下得到Ni-MoO2的异质结构（Ni-MoO2/NF-IH），SEM、TEM、X射线衍射图谱（XRD）和XPS共同证实Ni-MoO2为纳米线负载的纳米颗粒组成的复合结构，纳米线主干是MoO2，其上分布有Ni纳米颗粒。

 图3. Ni-MoO2/NF-IH的SEM照片（a）、不同倍数下的透射电镜照片（b-e）、相应的EDS mapping（f）、XRD（g）以及XPS图谱（h，i）

电化学性能测试

对所制备的样品进行电化学线性扫描伏安（LSV）测试，结果表明所制备的Ni-MoO2/NF-IH和NiFe LDH/NF-IH电极在碱性条件下分别需−39 mV和246 mV的低过电位即可实现10 mA cm−2的电流密度用于HER和OER，优于相同条件下的商业催化剂20 wt% Pt/C和RuO2负载在泡沫镍的性能，另外，Ni-MoO2/NF-IH和NiFe LDH/NF-IH电极的塔菲尔斜率分别为75.0 mV dec−1和46.6 mV dec−1，并能稳定工作12小时和20小时。将Ni-MoO2/NF-IH和NiFe LDH/NF-IH组装成两电极体系用于全解水，仅需1.5 V的电压即可驱动10 mA cm−2的电流密度，并能稳定工作12小时。

 图4. 不同样品的LSV曲线和相应的Tafel斜率；Ni-MoO2/NF-IH恒电位下测试的电流密度-时间（I-t测试）变化曲线（插图是I-t测试前后的LSV曲线）；不同样品的碱性产氧线性扫描伏安曲线和相应的Tafel斜率；NiFe LDH/NF-IH恒电位下测试的电流密度-时间（I-t测试）变化曲线（插图是1000循环伏安测试前后的LSV曲线）；两电极组装的电解槽的全解水性能。 

感应加热的通用性

在水溶液中通过感应加热泡沫镍制备了多种金属氢氧化物，SEM图片证实所制备的金属氢氧化物均具有特定的纳米结构，以这些氢氧化物作为前驱体，进一步通过感应加热在NH3气氛下尝试制备金属氮化物，SEM图片表明前驱体的纳米结构基本保持，同时表面有颗粒析出或出现多孔，说明在感应加热创造的高温环境下前驱体与NH3发生了刻蚀反应。

 图5.在水溶液和NH3气氛下感应加热制备电极的SEM照片.

总结

这个工作基于液相或气相感应加热快速地（1-3分钟），简单地（开放反应系统）和有效地（造成缺陷）合成各种自支撑的电催化剂。泡沫镍作为感应加热的柔性基底和自加热介质，可以在其上快速生长多种具有均匀纳米结构的电催化剂。其中，Ni-MoO2/NF-IH和NiFe LDH/NF-IH分别表现出最优异的HER和OER性能，此外，这种简便的感应加热也可用于合成具有均匀纳米结构和低结晶性的金属氢氧化物和氮化物，从而在能量存储和转换中具有广泛的应用。这些结果表明快速磁感应加热为合成和设计具有特定组分和形貌的电催化剂提供了指导。

 作者介绍：

本文第一作者：熊国伟，济南大学前沿交叉科学研究院2018级硕士研究生

研究领域：纳米材料的制备及其在电解水领域的应用，光热催化。

本文通讯作者：贾进，济南大学前沿交叉科学研究院讲师。

研究领域：纳米材料的设计及其在能源储存和转化上的应用。

本文通讯作者：周伟家，济南大学前沿交叉科学研究院教授。

研究领域：纳米材料与技术在电催化、氢能源和微纳器件等领域的研究。

周伟家教授：济南大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师。“国家优青基金”、“泰山学者青年专家计划”、“山东省优秀青年基金”和“省自然科学杰出青年基金”获得者。以第一或通讯作者在Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano等期刊发表SCI收录论文70余篇，被他引6126次，H因子38，中国百篇最具影响力国际学术论文1篇，ESI高被引用论文12篇，2018年“全球高被引科学家”(交叉学科)；2019年山东省自然科学奖一等奖(第三位)；授权发明专利6项。主持国家自然科学基金等省部级项目10项。