一種獨(dú)特的原位生長(zhǎng)在泡沫鎳（NF）上的還原氧化石墨烯（rGO）與鎳酸鈷（CoNiO2）納米片復(fù)合的異質(zhì)結(jié)（CoNiO2@rGO/NF），并將其應(yīng)用于一種**的雙功能電催化劑。優(yōu)化后的CoNiO2@rGO/NF電極具有**的電催化性能，OER性能表現(xiàn)為電流密度是100 mA·cm?2時(shí)，過(guò)電位僅為272 mV，HER性能為在電流密度是10 mA·cm?2時(shí)，過(guò)電位為126 mV。而且，該電極有突出的OER和HER穩(wěn)定性，在至少40小時(shí)的穩(wěn)定性測(cè)試后，其活性和形貌變化可以忽略不計(jì)。當(dāng)CoNiO2@rGO/NF同時(shí)作為陰極和陽(yáng)極進(jìn)行全水解測(cè)試時(shí)，該電極在10 mA·cm?2電流密度下僅需電壓1.56V，而且可穩(wěn)定工作40小時(shí)以上，是目前報(bào)道的性能較好的鈷基和鎳基非貴金屬電催化劑之一。研究結(jié)果表明，這種電極材料由CoNiO2納米片和rGO構(gòu)建成獨(dú)特的異質(zhì)結(jié)，**增加電極的導(dǎo)電性和完整性；超小的顆粒尺寸提供更大的電極/電解液的接觸面積和豐富的活性位點(diǎn)，以及三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)基體促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)，三者協(xié)同作用使得CoNiO2@rGO/NF電極具有了**的電催化性能。

圖文詳情

催化劑的合成：

**通過(guò)改進(jìn)的自持式水解蝕刻循環(huán)（SCHE）方法和退火處理，合成了原位生長(zhǎng)在泡沫鎳基體上的CoNiO2納米片陣列。然后采用簡(jiǎn)單的水熱法，將氧化石墨烯（GO）包覆在CoNiO2納米片陣列上獲得了3D自支撐的CoNiO2@rGO/NF異質(zhì)結(jié)催化劑。

圖1 CoNiO2@rGO/NF合成示意圖。

催化劑的表征：

催化劑使用SEM、TEM和XPS進(jìn)行了表征（圖2-4）。**使用SEM比較CoO/NF, NiO/NF, CoNiO2/NF和CoNiO2@rGO/NF的形貌和結(jié)構(gòu)，證明了CoNiO2@rGO/NF是由片狀的rGO包覆在片狀CoNiO2表面形成的異質(zhì)結(jié)材料，而且由褶皺不規(guī)則的納米片組成3D多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。使用TEM觀測(cè)催化劑的微觀結(jié)構(gòu)，CoNiO2@rGO/NF由直徑為5nm左右的顆粒組成，而且由于合成過(guò)程中刻蝕作用，納米片中有直徑4nm的介孔存在，納米片表面還有薄層的還原氧化石墨烯包覆。最后XPS研究發(fā)現(xiàn)，CoNiO2@rGO/NF異質(zhì)結(jié)中CoNiO2和rGO有強(qiáng)烈的交互作用，而且產(chǎn)生了氧空位等缺陷，明顯提高了材料的導(dǎo)電性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，有助于OER和HER性能的提升。此外，XRD、Raman也對(duì)催化劑材料做了分析和描述。

圖2 a1-a3為CoO/NF，b1-b3為NiO/NF，c1-c3為CoNiO2/NF，d1-d3為 CoNiO2@rGO/NF的SEM圖。

圖3 a1-a3為CoO/NF，b1-b3為NiO/NF，c1-c3為CoNiO2/NF，d1-d3為 CoNiO2@rGO/NF的TEM圖，e1為CoNiO2@rGO/NF的HAADF圖，e2-e5為CoNiO2@rGO/NF的EDS mapping圖。

圖4 CoO/NF，NiO/NF，CoNiO2/NF，CoNiO2@rGO/NF的XPS圖，a為全譜，b為Co 2p譜，c為Ni 2p譜，d為O 1s譜。

催化劑的性能研究：

 為了驗(yàn)證這種獨(dú)特的自支撐3D多孔片-片異質(zhì)結(jié)陣列催化劑是否達(dá)到預(yù)期的效果，分別研究了催化劑的OER、HER和全解水催化性能（圖5,7,9）。比較CoO/NF，NiO/NF和CoNiO2/NF，CoNiO2@rGO/NF電極具有較優(yōu)的OER性能：起峰電位1.48V，電流密度為100 mA·cm?2時(shí)，過(guò)電位僅需272mV，塔菲爾斜率49mV·dec?1，這些性能優(yōu)于大部分非貴金屬催化劑。而且，該電極具有較大的雙電層電容119.7 mF·cm?2和較小的電化學(xué)阻抗。更重要的是，該電極在3000圈CV循環(huán)測(cè)試后，LSV曲線幾乎與循環(huán)前重合，60小時(shí)的計(jì)時(shí)電流測(cè)試（CA），310 mA·cm?2的超高電流密度僅有輕微變化，展示了**的循環(huán)穩(wěn)定性。同樣的，CoNiO2@rGO/NF電極具有較優(yōu)的HER性能：電流密度為10 mA·cm?2時(shí)，過(guò)電位為126mV，塔菲爾斜率72mV·dec?1。3000圈CV循環(huán)和40小時(shí)CA測(cè)試后，材料活性、形貌和成分沒(méi)有明顯變化，也表明了其**的HER循環(huán)穩(wěn)定性。鑒于CoNiO2@rGO/NF電極**的OER和HER性能，將其同時(shí)用作全解水陰、陽(yáng)極，電流密度為10 mA·cm?2時(shí)，水解電壓只需1.56V，并且能持續(xù)穩(wěn)定工作40小時(shí)以上。

圖5 a-c分別為各催化劑材料OER的LSV，Tafel plots，EIS圖。d為CoNiO2@rGO/NF在3000圈循環(huán)前后的LSV曲線和CA穩(wěn)定性曲線。

圖6 a-c分別為各催化劑材料HER的LSV，Tafel plots，EIS圖。d為CoNiO2@rGO/NF在3000圈循環(huán)前后的LSV曲線和CA穩(wěn)定性曲線。

圖7 a為CoNiO2@rGO/NF的全解水LSV曲線；b為CA穩(wěn)定性曲線。

采用簡(jiǎn)單的水熱法成功制備了一種新型的自支撐3D多孔CoNiO2@rGO/NF納米片陣列催化劑。該催化劑展示出**的OER活性，優(yōu)于大部分非貴金屬催化劑；HER活性可與先前報(bào)道的同類非貴金屬催化劑相比；**的全解水活性接近商業(yè)貴金屬催化體系RuO2//Pt/C（電流密度10 mA·cm?2時(shí)，水解電壓為1.52V）。而且催化劑具有**的穩(wěn)定性，能持續(xù)穩(wěn)定工作40小時(shí)以上。更重要的是，該研究工作表明，雙金屬氧化物、無(wú)粘結(jié)劑陣列結(jié)構(gòu)和rGO調(diào)控的異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以協(xié)同提高電催化的全解水性能，拓寬了非貴金屬催化劑在電化學(xué)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

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