液相等离子体改性泡沫镍NiOOHNiFeOOH活性位点倍增促

　　全文简介
　　析氧反应（OER）是电化学产氢的关键，为了满足工业要求，需要新的方法来简单、快速、环保和廉价地合成坚固、自支撑和高表面积的电极。在此，报道了一种新的液相等离子体（等离子体电解）在泡沫镍上生长分层纳米结构的方法。在形貌保留的情况下，铁可以掺杂到这种高表面积电极中。对于OER，铁掺杂泡沫镍电极在1。4730。013VRHE（60C）下达到工业相关电流密度500mAcm2，并且在140h内活性没有下降。
　　结果与讨论
　　图1等离子体电解过程。a）液内等离子体处理的实验装置，带有充满0。01mKOH的高压电源的双电极装置。b）在包含三个区域的设置中NF的高电位电特性：i）常规OER；ii）过渡；iii）等离子体区。顶部的图像显示了三个不同电位区域的NF，并在该区域（iii）显示了等离子体的特征发光。
　　使用如图1a所示的设置，我们研究了NF在0。01mKOH（pH11。96）中的阳极高电位（0630V）电特性，从电流电位图（图1b）可以划分为三个区域：i）常规区域；ii）过渡；iii）等离子体区。在常规OER区域之后，由于电极上形成的高密度气泡的高电阻，电流下降。最终，在电位为575V时，在阳极的O2气泡区域观察到均匀的等离子体放电（见图1b）
　　图2扫描电镜观察显示等离子体电解引起的形貌变化。未经处理的市售泡沫镍（NF）的SEM俯视图（a）和横截面视图（b，c）。没有分层纳米结构或表面修饰（见图S3S6，支持信息，更多的SEM图像和元素映射）。dh）等离子体处理后NF的SEM图像（俯视图），显示了分层纳米结构的存在（更多图像见图S7，支持信息）。i）等离子体处理过的NF截面的扫描电镜图像，显示薄而多孔的表层（更多图像见图S8，支持信息）。jl）等离子体处理NF的SEMEDX元素映射（俯视图）（见图S9，支持信息，EDX光谱），显示镍和氧的均匀分布。mo）等离子体处理的NF截面的SEMEDX元素映射（见图S10，支持信息，EDX光谱）揭示了氧化物表层。将样品嵌入环氧树脂中，并将其接地以获得截面。
　　经过等离子体（NFplasma）处理后，可以看到由0。11m大球形物体相互堆叠，部分团聚，形成覆盖整个NF表面的厚而均匀的层（图2di）。更大的放大显示，这些球体由更小的纳米花瓣组成，只有几纳米厚，并使球体具有花朵般的外观。截面图像显示了约200500nm厚的多孔表面层（图2i，m）。
　　图3NF、NFPlasma和NFPlasmaFe的核心级XPS分析。所有薄膜的Ni2p光谱（a）显示两个主要的2p32和2p12峰以及NiII（OH）2典型的伴星。只有NFPlasmaFe才能找到Fe的存在，并且在Fe2p光谱（b）中观察到的双峰对应于FeIII物种。NFPlasma和NFPlasmaFe的O1s光谱（c）显示出相似的峰，负责金属氧化物，氢氧化物和吸附水，而NF光谱主要显示表面氢氧化物物种。表面NFPlasmaFe的Ni和Fe含量的XPS定量在（d）中给出。e）在三种不同的溅射时间下NF等离子体的Ni2pXPS深度剖析，其中氢氧化物和氧化物峰的量随着Ni0物种的增加而不断减少。
　　粉末x射线衍射图（XRD）只包含金属镍的反射。因此，新形成的Ni（Fe）OxHy相均为非晶态。对于所有三个样品，Ni2p区域的X射线光电子能谱（XPS）与NiII表面物种的存在一致（图3a）。仅对于NFPlasmaFe样品，存在具有FeIII典型结合能。由XPS测量确定的元素表面成分显示，与镍相比，26的铁通过CV被引入（图3c）。原则上，在等离子体处理过程中，由于电势为630V，预期镍相具有较高的氧化态，但XPS仅观察到NiII。在等离子体处理后，表面的镍很可能与空气反应形成NiII。在NiII表面以下，XPS深度分析检测到镍处于更高的氧化态（主要是NiOOH），最终主要物种是Ni，来自表面氧化层下的金属NF（图3e）。
　　性能测试
　　图4a）电催化研究样品概述。b）扫描速率为5mVs1的循环伏安图。c）在100mAcm2下与其他各种Ni、Fe、NiFe和贵金属基催化剂的过电位比较。如前所述，浸泡是指在20mmol1Fe（NO3）3水溶液中简单浸泡4小时即可实现铁掺杂。d）25产氢速率下CP稳定性试验。e）60C下CV和CP稳定性测试。f）稳态CA测量的Tafel斜率。g）根据图S11和S12a还原峰的氧化还原活性位点数量。
　　NFPlasmaFe在2074、2485和30411mV过电位时分别产生电流密度10、100和500mAcm2（图4b）。工业系统中。当温度升高到60时，达到500mAcm2所需的电势降低了60mV，达到1。4730。013VRHE（图4e）。在60C和400mAcm2条件下的稳定性测试也显示活性没有下降（图4e，插图）。
　　结论
　　综上所述，本文采用新颖的辉光放电热液中等离子体电解方法，将扁平泡沫镍表面改性为具有花状外观的分层纳米结构表面，并增加表面积和活性位点数量。这种等离子体电解方法不涉及昂贵或有毒的化学物质（仅水和KOH），消耗很少的能量，仅需10分钟，并且只需要简单的双电极设置，具有高功率电源且无需外部加热。我们可以将铁掺杂到等离子体改性的NF（NFPlasmaFe）中，并通过CV循环保留其表面形貌和表面积。所获得的电极是自支撑的，不含粘合剂，并且在强阳极催化条件和高气体浓度形成条件下稳定。NFPlasmaFe作为OER的电极时，在1。4730。013VRHE（60C）下可以实现500mAcm2的工业相关电流密度，并且在200mAcm2下140h内没有观察到活性降低。
　　参考文献
　　Hausmann，J。N。，Menezes，P。V。，Vijaykumar，G。，Laun，K。，Diemant，T。，Zebger，I。，Jacob，T。，Driess，M。，Menezes，P。W。，InLiquidPlasmaModifiedNickelFoam：NiOOHNiFeOOHActiveSiteMultiplicationforElectrocatalyticAlcohol，Aldehyde，andWaterOxidation。Adv。EnergyMater。2022，12，2202098。https：doi。org10。1002aenm。202202098