近日，天津大学材料学院金属功能材料研究团队在国际知名化学材料期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Alloying-Triggered Phase Engineering of NiFe System via Laser-Assisted Al Incorporation for Full Water Splitting”的研究论文。
高效的双功能电催化剂既可用于析氢反应(HER)，又可用于析氧反应(OER)，对于实现可持续发展、低成本商业至关重要。然而，由于析氢和析氧反应的电催化机理不同，两者所采用的材料体系不易相互匹配。因此，设计一种兼具HER和OER的非贵重金属材料是当前领域研究的一项重要挑战。一些研究结果表明，镍铁(NiFe)基催化剂通常被用作OER催化剂。同时，在特殊环境下它们可以也用于HER。但其固有的低电导率和在碱性溶液中腐蚀所导致的不稳定性严重阻碍了其催化性能的进一步提高及应用。此外，已报道的传统制备方法(水热法和电沉积法)所制备的NiFe基电极大多结构复杂，不适合大规模生产。
图1.纳米孔NiFeAl/NF电极的合成示意图
图2.电催化（a-b）析氢和（c-d）析氧反应性能比较；（e-h）关于HER和OER反应不同活性位点自由能的DFT计算
在大量前期工作的基础上，金属功能材料研究团队精心构建了一个由Ni2Al3和Ni3Fe相组成的自立式杂化体系。如图1所示，通过在泡沫镍上激光辅助铝(Al)掺入合金及随后的脱合金化来实现有效的全水裂解。其中，Ni和Fe的合金化可以实现了对其电子结构的调节，导电的Ni3Fe又促进了电荷转移，同时，Al掺杂形成的Ni2Al3相具有较高的HER活性。在此项研究中，我们所提出并实施的激光直写(Laser-Direct-Writing)技术具有加工速度快、生产成本低等优点，在催化剂涂层和基材之间的界面上可实现牢固的冶金结合，确保电极的长期耐用性。此外，用激光将催化剂结合到泡沫镍上所形成自支撑结构，可以增加催化剂的导电性，改善其稳定性。实验研究结果如图2所示，Ni18Fe12Al70具有极低的过电位来触发HER(η100=188 mV)和OER(η100=345 mV)过程，可与最先进的电催化剂相媲美。理论计算结果表明，Ni2Al3和Ni3Fe合金在异质结处发生了H原子的共吸收，使势垒降低到0.081 eV，从而证实了Ni2Al3和Ni3Fe合金在HER过程中的协同作用。此外，该催化剂在100和400 mA cm-2的大电流密度下均能保持稳定的过电位达100 h，而双电极碱性水电解槽在1.54 V的槽电压下即可获得10 mA·cm-2的电流密度，同时该电解槽在100 h内表现出良好的电化学稳定性。因此，激光辅助Al掺杂的合金化而触发相工程学是一种获得大规模、低成本生产非贵重金属双功能催化剂的可行方案，在未来实现双功能催化剂的商业化应用具有重要的研究意义。