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南京师范付更涛&刘影&山东农业大学马超AM:三元异质结构o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2实现1.34V@100mA cm-2尿素辅助电解水

  • 2026-10-23 04:18:23
南京师范付更涛&刘影&山东农业大学马超AM:三元异质结构o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2实现1.34V@100mA cm-2尿素辅助电解水

通讯作者

刘影(南京师范大学)

马超(山东农业大学)

付更涛(南京师范大学)

研究背景

在电解水制氢领域,用热力学更有利的小分子氧化反应替代缓慢的析氧反应(OER)已成为一种节能路线。其中,尿素氧化反应(UOR)因理论电位低(0.37V vs RHE)、原料丰富以及同步处理废水的能力而备受关注。然而,UOR涉及复杂的多电子/质子转移和中间体吸附/脱附步骤,导致电解效率有限。过渡金属硒化物(TMSes)因其独特的电子结构、高电导率和窄带隙而在电催化领域展现出巨大潜力。通过引入外部光照(如近红外照射),可将光热和光电效应融合到电催化过程中,为反应提供多重协同驱动力。然而,如何合理设计兼具高活性催化位点和显著光热/光电功能的TMSes基电催化剂仍是重要挑战。

痛点问题

1. 尿素氧化反应(UOR)涉及复杂的多电子/质子转移过程和中间体吸附/脱附步骤,导致电解效率受限

2. 过渡金属硒化物的相变触发策略和高效活性结构构建方法极其有限,制约了其潜在应用

3. 如何同时构建高活性催化位点并引入光热/光电功能以实现多重协同驱动的电催化过程仍是挑战

4. 传统UOR电催化剂缺乏光响应能力,难以利用外部光照增强催化性能

5. 复杂反应条件下催化剂的长期稳定性与实际应用需求之间存在差距

核心发现

1. 通过Sn2+作为相触发剂,成功实现r-NiSe向h-NiSe的原位相变,同时生成o-SnSe,形成三元异质结构o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2

2. DFT计算表明h-NiSe将UOR决速步能垒从r-NiSe的0.901eV降低至0.745eV,而o-SnSe显著增强了光吸收和光热/光电响应

3. 光热效应促进尿素吸附、补偿UOR吸热焓并加速电子/传质动力学,光电效应使载流子密度从1.4e24提升至4.2e24 cm-3

4. 近红外照射下UOR活化能从48.4降低至9.7kJ mol-1,o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2仅需1.28/1.34/1.37V即可实现10/500/1000mA cm-2

5. 以o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2同时作为阴阳极,组装的尿素辅助AEM电解槽仅需1.34/1.79V即可实现100/500mA cm-2,优于传统HER||OER体系(1.61/1.99V)

6. 催化剂在100mA cm-2电流密度下可稳定运行120h,展现了优异的长期稳定性

图文解析

图1:合成策略与结构表征

1. 采用一步水热法合成o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2,以镍泡沫为镍源,Se粉和SnCl2为前驱体

2. XRD表征显示Sn2+的引入使r-NiSe峰消失,同时出现h-NiSe和o-SnSe特征峰,证实Sn2+可触发r-NiSe向h-NiSe的相变

3. DFT计算表明反应能r-NiSe + Sn2+ -> h-SnSe + h-NiSe为-0.747eV,说明该反应在能量上是有利的

4. SEM/TEM显示催化剂呈现有序排列的棱柱状纳米棒结构,直径约250nm,长度约1200nm,有利于暴露活性位点

5. HAADF-STEM清晰展示了o-SnSe、h-NiSe和r-Ni3Se2的多相异质界面,EDS mapping证实Ni、Se、Sn元素均匀分布

图2:XAS与XPS电子结构分析

1. Ni K边XANES显示o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2的Ni吸收边能量高于r-NiSe/r-Ni3Se2,表明Ni价态升高

2. EXAFS拟合显示o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2的Ni-Se配位数(3.0和3.1)高于r-NiSe/r-Ni3Se2(3.0和2.0)

3. XPS分析显示o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2的Ni 2p和Se 3d峰分别正移0.2和0.4eV,表明电子云密度降低

4. Sn 3d谱在486.9eV(3d5/2)和495.3eV(3d3/2)处显示Sn2+特征峰,证实Sn的成功引入

5. ICP分析显示SnCl2添加量为0.03/0.05/0.07mmol时,产物中Sn摩尔百分比分别为2.2/3.4/5.0at%

图3:UOR性能与DFT机理分析

1. o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2-5在100和500mA cm-2下仅需1.33和1.39V,优于o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2-3(1.34/1.42V)和r-NiSe/r-Ni3Se2(1.38/1.47V)

2. Tafel斜率从r-NiSe/r-Ni3Se2的45mV dec-1降低至o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2-5的31mV dec-1

3. DFT计算显示尿素在Ni活性位点的吸附优于*OH,UOR在能量上优先于OER发生

4. d带中心从r-NiSe的-1.91eV下移至h-NiSe的-2.18eV和o-SnSe/h-NiSe异质界面的-2.32eV

5. UOR决速步(*CONH2NH -> *CO(NH)2)能垒从r-NiSe的0.901eV降低至h-NiSe的0.745eV和o-SnSe/h-NiSe的0.738eV

图4:电化学表征与稳定性测试

1. 纯h-NiSe的UOR活性显著高于纯r-NiSe,证实h-NiSe具有更高的本征催化活性

2. o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2-5具有最大的双电层电容(Cdl),表明其暴露了更多的催化活性位点

3. EIS显示o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2-5具有最小的电荷转移电阻,界面电子转移动力学更快

4. 催化剂在100mA cm-2下可稳定运行120h无明显衰减,SEM和XRD显示形貌和晶体结构基本保持

5. 原位Raman显示在>=1.45V电位下出现473和564cm-1的NiOOH特征峰,表明NiOOH是UOR过程中的催化活性相

图5:光热光电增强UOR性能与电解槽测试

1. 随着光强从NIR1(0.34W cm-2)增加至NIR4(1.55W cm-2),UOR电位逐渐降低,电流密度增加

2. NIR4照射下o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2仅需1.28/1.34/1.37V即可实现10/500/1000mA cm-2

3. NIR4下Tafel斜率降至22mV dec-1,TOF达到0.024s-1,优于近期报道的Ni基催化剂

4. 催化剂同时展现优异HER性能,在NIR4下仅需70/200/282mV实现10/100/500mA cm-2

5. 以o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2为阴阳极的HER||UOR电解槽仅需1.34/1.79V实现100/500mA cm-2,可稳定运行160h

图6:光热光电效应机理分析

1. UV-vis-NIR显示o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2具有比r-NiSe/r-Ni3Se2更强的宽带光吸收能力

2. 光学带隙从r-NiSe/r-Ni3Se2的1.68eV降低至o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2的1.51eV

3. UPS测试显示价带顶从r-NiSe/r-Ni3Se2的5.38eV降低至o-SnSe/h-NiSe/r-Ni3Se2的5.97eV

4. NIR照射下表面温度从31.6°C快速升至50.9°C,同时产生显著光电流,证实高效光热/光电响应

5. 载流子密度从无NIR时的1.4e24 cm-3增加至NIR照射下的4.2e24 cm-3,UOR活化能从48.4降至9.7kJ mol-1

原文链接

https://doi.org/https://doi.org/10.1002/adma.202519855

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