化石燃料儲量有限，難以滿足人類社會迅速增長的能源需求，氫氣是一種高能量密度且不含碳的能量載體，可以作為化石燃料的替代品。利用從風能、太陽能等可再生能源轉換得到的電能，通過電化學催化水裂解產氫，從而將電能轉換為化學能，是一種間接利用可再生能源制氫的可行途徑。

電催化水裂解過程包含陰極析氫(HER) 和陽極析氧(OER) 兩個半反應，其中OER涉及到四個電子和四個質子轉移的復雜過程，需要較大的過電位，且反應速率緩慢。為了實現高效率、低成本、大規模制氫，需要解決的關鍵問題之一是研發高效、穩定、廉價的水氧化催化劑。

大連理工大學精細化工國家重點實驗室王梅教授指導的博士研究生蔣健，在前期對于NiB0.45/NiOx核殼異質結構納米粒子膜電極高效電化學催化水氧化反應研究工作的基礎上 (Nano Energy 2017, 38, 175?184)，進一步研發了高效、穩定的Fe/V共摻雜的a-Ni(OH)2超薄納米片陣列電極。

該三元非貴金屬催化劑表現出優異的電化學水氧化活性，電流密度達到100和500 mA cm^-2時，過電位僅為264和291 mV，同時表現出很好的穩定性。

利用X-射線吸收譜 (XAS)、擴展X-射線吸收精細結構(EXAFS)、球差矯正亞納米分辨的高角環形暗場像-掃描透射電鏡(HAADF-STEM) 以及密度泛函理論計算(DFT) 等實驗技術和理論方法從原子層面剖析了高效的Fe/V共摻雜的NiOOH水氧化催化劑，排除了摻雜離子在間隙位和表面吸附位的可能，證實了摻雜的Fe和V離子替代Ni(OH)2晶格中的Ni離子占據格點位置，并且發現在Ni3Fe0.5V0.5中的V具有高度扭曲的八面體配位結構和較短的V?O鍵長。

X-射線光電子能譜(XPS) 和軟X-射線吸收譜 (SXAS) 研究表明，不同d帶中心的Fe、V和Ni3d金屬離子之間存在協同的電子互相作用，從而影響主體材料中金屬離子的局部配位環境。原位X-射線精細結構 (EXAFS+XANES) 揭示了在水氧化過程中M-M‘和Ni-O/Fe-O/V-O鍵都有不同程度的收縮，意味著三種金屬離子的局部配位環境和平均氧化態均發生變化；其中V-O鍵收縮最為明顯，形成了嚴重扭曲的[VO6] 八面體結構。

同時，通過VASP軟件包進行DFT + U理論計算結果表明在Fe和V原子聚集處的V位點具有最優的氧中間態結合能和最低的理論過電位，從而明顯提高了鎳基催化劑的電化學催化OER的本征活性。這些實驗和理論研究結果為從原子層面深入理解V摻雜的多元金屬氧化物高活性催化電化學水氧化的原因及真正的催化活性位點提供了關鍵實驗證據和理論依據。

文獻信息：

Jiang J, Sun F, Zhou S, et al. Atomic-level insight intosuper-efficient electrocatalytic oxygen evolution on iron and vanadium co-dopednickel (oxy) hydroxide[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 2885.

本文來自大連理工大學，王妍妍編輯整理