氫氣(H₂)因其無污染和高能量密度等優點在未來能源中占有重要地位。利用可再生能源，如光伏、風能和水力發電進行電解水是一種高效的產氫方法。在過去的幾十年里，Pt/C和RuO₂被認為是析氫反應(HER)和析氧反應(OER)最優的催化劑。

然而，貴金屬的稀缺性和高價格等特點阻礙了其進一步的商業應用。因此，開發大規模、低能耗、高穩定性的非貴金屬催化劑用于全水解尤其適合工業應用，這也是一個巨大的挑戰。

基于此，青島科技大學吳則星和王磊(共同通訊)等人通過環境腐蝕工程和低溫氮化，原位制備了Fe-Ni基化合物(Fe-Ni-O-N)催化劑。

首先評估了不同催化劑在1 M KOH淡水中的OER活性。Fe-Ni-O-N催化劑具有最優的OER性能，僅需要189、206、260、280 mV的過電位就能達到10、50、500、1000 mA cm^-2的電流密度，低于NiFe LDH(280、313、320、350 mV)、RuO₂(307、352、420、450 mV)和NiFe(348、408、460、510 mV)，說明氮化工藝可以有效的優化催化劑的OER性能。

此外，Fe-Ni-O-N的Tafel斜率為25 mV dec^-1，相對于NiFe LDH (34 mV dec^-1)、RuO₂ (47 mV dec^-1)和NiFe (54 mV dec^-1)，Fe-Ni-O-N具有較快的催化動力學。

這是由于豐富的納米片組成的花朵狀形態為Fe-Ni-O-N催化劑提供了豐富的表面積和快速的電子傳遞速率，可以提高堿性淡水中的OER性能。由于Fe-Ni-O-N在堿性淡水中具有良好的OER催化活性，在堿性海水中也進行了催化性能的研究。

在堿性海水中，Fe-Ni-O-N同樣通過最小的過電位190、235、270和289 mV就能達到10、50、500和1000 mA cm^-2的電流密度。此外，Fe-Ni-O-N的Tafel斜率(41 mV decl ^-1)相對于其他催化劑最小，驗證了其快速且有利的反應動力學。值得注意的是，Fe-Ni-O-N的催化性能優于其他報道的催化劑。

Fe-Ni-O-N在堿性海水中具有優異的穩定性，電流損耗可忽略不計。它還可以在500 mA cm^-2的電流密度下穩定工作40小時，表明其在實際應用的可行性。

除了OER活性，催化劑在堿性電解質中的HER電催化活性也同樣進行了評估。然而，Fe-Ni-O-N的電催化HER性能不理想，然后引入了微量的Ru來提高反應動力學。

引入Ru后，Ru/Fe-Ni-O-N表現出優異的HER活性，在10 mA cm^-2和50 mA cm^-2的電流密度下過電位僅為42和185 mV，優于FeNi-O-N(194和328 mV)、NiFe LDH(196和287 mV)和NiFe(273和342 mV)。

此外，FeNi-O-N和Ru/Fe-Ni-O-N催化劑分別作為陽極和陰極用于堿性淡水和海水中的全水解。FeNi-O-N||Ru/Fe-Ni-O-N在1 M KOH的電解質中僅需要1.87 V就可以驅動500 mA cm^-2的電流密度。在60℃的6 M KOH淡水中達到500和1000 mA cm^-2的電流密度分別需要1.69 V和1.75 V。

在堿性海水中，Ru/Fe-Ni-O-N||Fe-Ni-O-N在10和500 mA cm^-2時的電壓為1.54和1.90 V，均展現出優異的催化性能。本研究為通過腐蝕工程設計能實現高電流密度的海水電解電催化劑提供了參考，也為大規模生產氫氣的電解海水策略提供了切實可行的思路。

Corrosive engineering assisted to in-situ construct Fe-Ni-based compound for industrial overall water-splitting under large-current density in alkaline fresh water and seawater Media, Journal of Materials Chemistry A, 2022, DOI: 10.1039/d2ta07586e.

https://doi.org/10.1039/D2TA07586E.