注册 English

负载AuPt的镍铁层状氢氧化物双位点催化剂高效电解水制氢

李燕 ,  吕功煊

downloadPDF
引用本文: 李燕, 吕功煊. 负载AuPt的镍铁层状氢氧化物双位点催化剂高效电解水制氢[J]. 无机化学学报, 2026, 42(7): 1463-1474. doi: 10.11862/CJIC.20260032 shu
Citation:  Yan LI, Gongxuan LÜ. Au and Pt-loaded nickel-iron layered hydroxide dual-site catalyst for efficient hydrogen production from water electrolysis[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2026, 42(7): 1463-1474. doi: 10.11862/CJIC.20260032 shu

负载AuPt的镍铁层状氢氧化物双位点催化剂高效电解水制氢

  • 1.

    中国科学院兰州化学物理研究所, 低碳催化与二氧化碳利用全国重点实验室, 兰州 730000

  • 2.

    中国科学院大学, 北京 100049

    • 通讯作者: 吕功煊, E-mail：gxlu@lzb.ac.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划 2022YFB3803600

    国家自然科学基金 22272189

    国家自然科学基金 22102200

    甘肃省自然科学基金 21JR7RA077

    甘肃省自然科学基金 22JR5RA105

摘要: 采用电沉积和浸渍电还原法制备了负载Au、Pt纳米粒子的镍铁层状双金属氢氧化物(NiFe-LDH)催化剂(AuPt-NiFe-LDH-NF，NF为泡沫镍)并用于电解水析氢反应(HER)。该催化剂仅需17 mV的过电位便可达到10 mA·cm-2的电流密度，性能优于商用Pt/C电极。原位电化学阻抗谱(EIS)结果表明，负载Pt之后NiFe-LDH-NF的电荷转移能力提高，HER中的Volmer步骤显著加快。强电负性的Au可与界面水构建氢键网络，稳定Pt表面的吸附水中间体，并通过Grotthuss机制加速水分解产生的OH-向界面的转移，使HER的氢吸附和界面电荷转移速率增加。所制备电极与GaInP2/GaInAs/Ge太阳能电池构建的光伏-电解水(PV-EC)器件实现了17.2%的太阳能到氢能转化效率。

English

  • 0.   引言

    氢具有高的能量密度(142 MJ·kg-1)且使用过程中无污染物产生，是一种优良的绿色能源载体[1-4]。电解水制氢能够有效消纳风、光等波动能源，是较有竞争力的绿色制氢路径之一[5-6]，然而较高的过电位和缓慢的动力学速率致使电解水耗电巨大[7-8]，因此研制高效、低成本的电解水催化剂是目前亟待解决的科学问题[9-10]。

    碱性电解水制氢虽在运行成本上有明显优势[11]，但是碱性析氢反应(HER)动力学速率相较于酸性低2~3个数量级[12-13]，而且HER的Volmer和Heyrovsky基元步骤都涉及到水的强共价键H—OH的断裂[14-17]，这些步骤的速率与氢(H)、羟基(OH)的吸附能、水解离热力学能垒和OH吸附强度等因素均有密切关系[18-19]。氢吸附能太弱会导致Volmer步骤困难，而氢吸附能太强则会导致Heyrovsky或Tafel步骤中氢脱附困难[20-21]。具有适宜H吸附能的金属Pt虽为高效HER催化剂，但单一金属组分难以同时兼顾各基元步骤对活性位的不同要求[22]。双金属能提供不同的活性位点，避免单一位点上的吸附竞争[23-24]。已有文献报道亲氧的过渡金属氧化物或氢氧化物与易吸附H的金属Pt组合可使催化剂具有较好的HER性能[25-26]。另外，碱性条件下吸附OH(OHad)的迁移是HER的决速步，水解离后产生的OH从催化剂迁移到溶液过程的快慢对提升HER整体反应速率有重要影响[27-28]。文献报道在Pt/H2O界面引入N-甲基咪唑后构成的氢键网络以Grotthus机制加快了OH在水中的扩散，使催化剂HER活性得以提高[29]。

    我们将过渡金属氢氧化物、Pt和Au同时构筑在催化剂上，形成了对OH和H都具有较强吸附特性的吸附位点区，并借助催化剂与H2O形成的氢键网络，使得所制备的催化剂展现出高的碱性分解水活性。AuPt共沉积的AuPt-NiFe-LDH-NF催化剂在过电位仅为17 mV时电流密度就可以达到10 mA·cm-2，显著优于商用Pt/C催化剂(26 mV@10 mA·cm-2)。原位电化学阻抗谱(EIS)结果表明，在NiFe-LDH-NF层间插入Pt可使催化剂的电荷转移能力和导电性能显著提高，Volmer步骤反应速率加快；此外，强电负性Au与界面水构成氢键网络，稳定了Pt表面的吸附水，通过Grotthuss机制促进了氢氧化物的界面扩散，从而使HER的氢吸附过程和界面电荷转移过程都得以加快。最后，由GaInP2/GaInAs/Ge太阳能电池与AuPt-NiFe-LDH-NF构筑的光伏-电解水(PV-EC)装置实现了17.2%的太阳能到氢能转化效率(ηSTH)。

    1.   实验部分

    1.1   试剂与仪器

    六水合氯化镍(NiCl2·6H2O)购自科密欧化学试剂有限公司；六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)购自麦克林生化科技股份有限公司；氢氧化钾(KOH)和盐酸(HCl)购自西陇科学股份有限公司；六水合氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)购自默克集团；四水合氯金酸(HAuCl4·4H2O)购自科隆化学品有限公司；无水乙醇(CH3CH2OH)和异丙醇((CH3)2CHOH)购自利安隆博华医药化学有限公司；NF购自昆山广嘉源新材料有限公司；铂碳(Pt/C，Pt质量分数为20%)催化剂购自苏州晟尔诺科技有限公司；GaInP2/GaInAs/Ge太阳能电池购自华尚光电科技有限公司。所有试剂均为分析纯，使用前未进一步处理。

    采用X射线衍射仪(Smartlab-SE X-ray diffractometer)对催化剂的晶体结构进行分析，测试条件：Cu Kα靶辐射(λ=0.154 06 nm)，管电压为45 kV，管电流为40 mA，扫描范围为5°~70°。催化剂的化学组成和化学价态通过X射线光电子能谱仪(ESCALAB 250Xi-XPS)进行分析(Al靶，用C1s峰284.8 eV对结果进行校正)。使用扫描电镜(SEM，JSM-5601LV，加速电压为5 kV)和透射电镜(TEM，Tecnai-G2-TF20，加速电压为200 kV)对样品形貌进行表征。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR，Nicolet Nexus 870)测试催化剂的组成。采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES，Agilent 725-ES)分析催化剂中Ni和Fe的元素含量。拉曼谱图采用显微共焦拉曼光谱仪(LabRAM HR Evolution)测试，激光波长为532 nm。

    1.2   催化剂的制备

    1.2.1   NiFe-LDH-NF的电沉积法制备

    首先配制电沉积液。称取15 mmol NiCl2·6H2O和5 mmol FeCl3·6H2O，溶于100 mL的去离子水中并搅拌20 min。然后采用三电极体系进行电沉积。洗净的1 cm2 NF(依次使用6 mol·L-1的HCl溶液、去离子水和无水乙醇超声清洗20 min，然后60 ℃真空干燥12 h)、Pt片和Ag/AgCl电极(饱和KCl溶液)分别作为工作电极、对电极和参比电极，在-1 V(vs Ag/ AgCl)的恒电位下电沉积35 min，再用去离子水冲洗电极，烘箱内90 ℃干燥2 h得到NiFe-LDH-NF。

    1.2.2   AuPt-NiFe-LDH-NF的浸渍电还原法制备

    Au-NiFe-LDH-NF的制备：将200 μL 10 mg·mL-1的四水合氯金酸加入到40 mL去离子水中，充分搅拌混匀，得到pH=4~5的氯金酸溶液(弱酸性溶液能够促进CO32-水解)。然后将制备的NiFe-LDH-NF电极置于氯金酸溶液中，氩气氛围下浸渍12 h。最后在-0.5~0 V(vs RHE)的电压范围内通过线性扫描伏安法(LSV)进行电还原反应。

    Pt-NiFe-LDH-NF的制备：制备过程与Au-NiFe-LDH-NF的相同，只是将浸渍溶液改为氯铂酸溶液。

    AuPt-NiFe-LDH-NF的制备：将制备的Pt-NiFe-LDH-NF电极置于上述氯金酸溶液中，氩气氛围下浸渍12 h。

    1.2.3   Pt/C-NF电极的制备

    将5 mg Pt/C加入到475 μL异丙醇和25 μL Nafion溶液(质量分数为5%)的混合液中，超声分散10 min。将配制的Pt/C悬浊液滴涂在NF(1 cm2)上制得Pt/C-NF电极。

    1.3   电化学测试

    采用CHI660E电化学工作站在三电极体系中进行电化学测试，工作电极、对电极和参比电极分别为制备的NF基催化剂(NiFe-LDH-NF、Au-NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF、AuPt-NiFe-LDH-NF和Pt/C-NF)、Pt片和Ag/AgCl电极，稳定性测试中参比电极为Hg/HgO电极(1 mol·L-1 KOH)，电解液为1 mol·L-1 KOH溶液。在HER测试前，使用氩气吹扫电解液20 min。线性扫描伏安法(LSV)曲线在10 mV·s-1的扫速下进行测试。电化学活性表面积(ECSA)通过循环伏安法(CV)测试得到，扫速为20、40、60、80、100和120 mV·s-1，电压范围为0.1~0.2 V(vs RHE)。EIS在10-2~106 Hz的频率范围内进行测试。全解水(OWS)LSV曲线测试是在1 mol·L-1 KOH中进行，扫描速率为10 mV·s-1。

    1.4   PV-EC测试

    通过PV-EC系统，可将间歇性的太阳能转化为电能，并用于驱动电解水反应。采用GaInP2/GaInAs/Ge三结太阳能电池作为光伏器件，与碱性电解池构成水电解反应装置。将二者串联后，利用太阳能电池所产生的电能直接驱动水电解反应，生成氢气和氧气。实验中使用氙灯模拟太阳光，光照强度为100 mW·cm-2(AM 1.5G)。阴、阳两极均采用AuPt-NiFe-LDH-NF电极，电解液为1 mol·L-1 KOH溶液。系统效率(ηSTH)通过下式计算：

    $ \eta_{\mathrm{STH}}=R_{\mathrm{H}_2} \Delta G_{\mathrm{r}} /(P S) \times 100 \% $

    其中，$ {R}_{{H}_{2}} $为析氢速率(mol·s-1)，计算过程如下：每间隔0.5 h记录PV-EC系统产生的氢气体积(V，m3)，然后通过公式pV=nRT转化为气体的物质的量(n，mol)，式中p为压强(Pa)，R为理想气体常数(8.314 J·mol-1·K-1)，T为实测温度(K)。ΔGr为水分解所需的吉布斯自由能变化值，在298 K时ΔGr=237.2 kJ·mol-1。P为入射模拟太阳光的校准功率密度(mW·cm-2)，实验中使用纽比特843便携型功率计测量入射模拟太阳光功率(功率计在实验前已校准)。S为光吸收面积，即太阳能电池的感光面积(0.25 cm2)。

    1.5   法拉第效率的计算

    电解水HER的法拉第效率(ηFE)通过HER过程中的理论电荷转移数值和实际电荷消耗量计算得到：

    $ \eta_{\mathrm{FE}}=n Z F /(j t) \times 100 \% $

    其中，n为水分解过程中产生的氢气的物质的量(mol)，Z为HER过程转移的电子数(2)，F为法拉第常数(96 485 C·mol-1)，j为平均电流密度(A·cm-2)，t为反应时间(s)。

    2.   结果与讨论

    2.1   结构和形貌表征

    利用X射线衍射(XRD)对4种催化剂进行了结构表征(图 1a、1b)。4个样品在44.55°和51.85°处的尖锐峰分别归属于基底材料Ni的(111)和(200)特征晶面衍射峰(PDF No.04-0850)(图 1a)。图 1b中位于11.55°、23.25°和34.95°的峰对应于NiFe-LDH的(003)、(006)和(012)晶面特征峰(PDF No.51-0463)，证明电沉积制备的样品为NiFe-LDH[30]。Au-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF在38.22°和64.67°处出现了Au(111)和(220)晶面的特征衍射峰(PDF No.04-0784)，表明经浸渍和电还原后，催化剂表面含有一定量的Au(图 1a)[31]。4个样品的XRD图中还出现一些的细微差别，如图 1b所示，相较于NiFe-LDH-NF，其他3个样品Au-NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的(003)晶面衍射峰向低角度偏移，表明有一定量的Pt和Au插入到NiFe-LDH的层间，导致催化剂的层间距发生改变。

    图 1

    图 1.  NiFe-LDH-NF、Au-NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的(a、b) XRD图、(c) ATR-FTIR谱图和(d) 拉曼谱图
    Figure 1.  (a, b) XRD patterns, (c) ATR-FTIR spectra, and (d) Raman spectra of NiFe-LDH-NF, Au-NiFe-LDH-NF, Pt-NiFe-LDH-NF, and AuPt-NiFe-LDH-NF
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    样品的衰减全反射红外(ATR)-FTIR和拉曼光谱结果如图 1c和1d所示。图 1c中以3 323 cm-1为中心的宽峰归属于LDH中水分子和羟基的伸缩振动[32]，1 354 cm-1处的尖峰归属于CO32-的不对称伸缩振动，说明电还原时KOH溶液中的CO32-插入和结合到了NiFe-LDH的层间和表面[30]。4个样品的拉曼光谱也有细微的差别(图 1d)，其中NiFe-LDH-NF和Au-NiFe-LDH-NF在474和550 cm-1处的拉曼峰分别对应Ni3+δOOH物种的Ni—OH和Ni—O键，Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF在460和539 cm-1处的拉曼峰分别对应Ni(OH)2物种的Ni—OH和Ni—O键，表明吸附Pt后LDH层板间Ni的价态有所降低[33]。NiFe-LDH-NF和Au-NiFe-LDH-NF的Fe—O键拉曼峰位于668 cm-1，Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的Fe—O键对应峰位于667 cm-1，表明后者Fe的价态也在降低[33]。

    催化剂的形貌和微观结构分析如图 2所示。图 2a~2d显示电沉积制备的NiFe-LDH为片状结构，而经浸渍电还原后原本光滑的催化剂表面变得粗糙。在Au-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF表面生长出了簇状的Au，表明经浸渍电还原后样品表面生成了新的Au物种。TEM图也显示电沉积制备的样品为片状结构(图 2e)。在样品的高分辨TEM(HRTEM)图中可观察到清晰的晶格条纹，间距为0.230 nm的晶格条纹归属于NiFe-LDH的(015)晶面，间距为0.236 nm的晶格条纹对应于Au的(111)晶面(图 2f)[34]，证明Au以结晶性良好的金属纳米颗粒形式存在于催化剂中。HRTEM图中未发现Pt的晶格条纹，这可能由于Pt含量较低所致。能量色散X射线谱(EDS)面扫结果表明在AuPt-NiFe-LDH中Pt和Au元素共存且均匀分布(图 2g)。ICP-OES结果表明催化剂中Au和Pt的负载量(质量分数)分别为2.3%和2.4%(图 2h)。

    图 2

    图 2.  (a) NiFe-LDH-NF、(b) Au-NiFe-LDH-NF、(c) Pt-NiFe-LDH-NF和(d) AuPt-NiFe-LDH-NF的SEM图; AuPt-NiFe-LDH的(e) TEM图、(f) HRTEM图、(g) EDS元素映射图和(h) ICP-OES图
    Figure 2.  SEM images of (a) NiFe-LDH-NF, (b) Au-NiFe-LDH-NF, (c) Pt-NiFe-LDH-NF, and (d) AuPt-NiFe-LDH-NF; (e) TEM images, (f) HRTEM images, (g) EDS element mapping images, and (h) ICP-OES diagram of AuPt-NiFe-LDH
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    催化剂的XPS分析结果如图 3所示，Ni的高分辨谱图(图 3a)中855.5和873.3 eV处的2个峰分别归属于Ni2+2p3/2和Ni2+2p1/2，857.1和874.7 eV处的2个峰分别归属于Ni3+2p3/2和Ni3+2p1/2，表明NiFe-LDH-NF中含有Ni2+和Ni3+两个物种[35]。在沉积Au和Pt后，Ni的价态发生了细微的变化。与NiFe-LDH-NF相比，Au-NiFe-LDH-NF中Ni对应的结合能升高了0.1 eV，而Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF中Ni的结合能分别降低了0.5和0.2 eV。Fe2p的高分辨谱图(图 3b)中712.3和725.2 eV的2个峰分别归属于Fe3+2p3/2和Fe3+2p1/2，在沉积Au和Pt后Fe的结合能均降低[35]，这表明Au和Pt在NiFe-LDH-NF上的沉积不是简单的物理吸附，而是发生了化学相互作用，改变了基底NiFe-LDH-NF材料的电子结构。O1s高分辨XPS谱图中531.2 eV处的峰归属于金属氢氧化物(M—OH，M为金属)，533.2 eV处的峰归属于催化剂表面的吸附水(图 3c)[30]。图 3d结果表明Pt的价态介于0~+4价之间，与Pt-NiFe-LDH-NF(Pt4f7/2：71.6 eV)相比，AuPt-NiFe-LDH-NF(Pt4f7/2：71.3 eV)中Pt的结合能减小0.3 eV，表明Pt的价态降低[30]。AuPt-NiFe-LDH-NF中Au主要以金属态存在，与Au-NiFe-LDH-NF(Au4f7/2：83.9 eV)相比，AuPt-NiFe-LDH-NF(Au4f7/2：84.0 eV)中Au的结合能增加0.1 eV(图 3e)[31]。上述结果表明，沉积Au和Pt后，Pt和Au之间发生电荷相互作用和电荷重新分布，改变了基底材料NiFe-LDH-NF的电子结构。

    图 3

    图 3.  样品的(a) Ni2p、(b) Fe2p、(c) O1s、(d) Pt4f和(e) Au4f高分辨XPS谱图
    Figure 3.  (a) Ni2p, (b) Fe2p, (c) O1s, (d) Pt4f, and (e) Au4f high-resolution XPS spectra of the samples
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    2.2   电催化HER性能

    采用三电极系统在1 mol·L-1 KOH溶液中对催化剂的HER性能进行了分析。图 4a、4b的LSV测试结果表明AuPt-NiFe-LDH-NF具有优异的HER催化活性，其性能显著优于商用Pt/C-NF电极(26 mV@10 mA·cm-2)和Pt片电极(61 mV@10 mA·cm-2)。AuPt-NiFe-LDH-NF仅需17 mV的过电位即可达到10 mA·cm-2的电流密度，低于Pt-NiFe-LDH-NF的过电位(37 mV)，远低于NiFe-LDH-NF的93 mV。与仅沉积Pt相比，AuPt-NiFe-LDH-NF的HER活性显著增强，这表明Au和Pt的相互作用有利于HER的发生。AuPt-NiFe-LDH-NF的Tafel斜率也低于其他样品，表明其具有更大的反应动力学速率(图 4c)。

    图 4

    图 4.  NF、NiFe-LDH-NF、Au-NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF、Pt片、Pt/C-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的(a) LSV曲线和(b) 不同电流密度下的过电位; NiFe-LDH-NF、Au-NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的(c) Tafel斜率和(d) ECSA; (e) NiFe-LDH-NF、AuPt-NiFe-LDH-NF和Pt-NiFe-LDH-NF的稳定性曲线; (f) AuPt-NiFe-LDH-NF在较大电流密度下的LSV曲线(插图: 100 mA·cm-2时的稳定性曲线)
    Figure 4.  (a) LSV curves and (b) overpotentials at different current densities of NF, NiFe-LDH-NF, Au-NiFe-LDH-NF, Pt-NiFe-LDH-NF, Pt foil, Pt/C-NF, and AuPt-NiFe-LDH-NF; (c) Tafel slopes and (d) ECSA of NiFe-LDH-NF, Au-NiFe-LDH-NF, Pt-NiFe-LDH-NF, and AuPt-NiFe-LDH-NF; (e) Stability curves of NiFe-LDH-NF, AuPt-NiFe-LDH-NF, and Pt-NiFe-LDH-NF; (f) LSV curves of AuPt-NiFe-LDH-NF under high current density (inset: stability curve at 100 mA·cm-2)
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    ECSA是影响电催化剂性能的一个重要因素。图 4d的测试结果表明，NiFe-LDH-NF、Au-NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的电化学双电层电容分别为58.7、65.3、98.9和128.6 mF·cm-2，ECSA依次增加，表明AuPt-NiFe-LDH-NF具有更大的活性表面积和更多的活性位点。此外，图 4e中催化剂在电流密度为10 mA·cm-2时的稳定性测试表明，NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的HER过电位依次减小，AuPt-NiFe-LDH-NF连续稳定运行超过50 h时过电位无明显变化，表现出优异的电化学稳定性。Au和Pt共沉积后，Pt的结合能降低，Au的结合能升高，说明Au和Pt之间发生电荷转移。Au和Pt之间的相互作用减缓了Pt的团聚，从而使AuPt-NiFe-LDH-NF的稳定性提高。而且Au可使Pt的溶解电位上移，从而提高了Pt在电催化反应中的耐久性[31, 36]。此外，如图 4f所示，AuPt-NiFe-LDH-NF在250和500 mA·cm-2时的过电位分别为189和322 mV，表现出优异的大电流HER性能。

    碱性条件下的HER是一个二电子转移的多步反应，包括以下3个基元反应步骤：Volmer步骤(H2O+M+e-→M—Had+OH-)、Heyrovsky步骤(H2O+M—Had+e-→M+H2+OH-)和Tafel步骤(2M—Had→2M+H2)，其中Had为吸附H[37]。根据HER的基元反应，水吸附、水解离能、氢吸附能和OH的吸附强度等都对HER速率有影响[18]。原位EIS结果如图 5所示，过电位大于50 mV时，AuPt-NiFe-LDH-NF的相位角接近0°，表明其阻抗很小，几乎为0 Ω(图 5d)。不同的HER步骤具有频率依赖性，其中低频区、中频区和高频区分别与Volmer、Heyrovsky和电子转移步骤有关[30]。图 5还显示AuPt-NiFe-LDH-NF的低频区和中频区相位角都随过电位的增加而显著减小，而Pt-NiFe-LDH-NF仅低频区相位角随过电位的增加而显著减小，中频区相位角变化缓慢，这表明Au和Pt的共沉积显著加快了HER的Volmer和Heyrovsky步骤。

    图 5

    图 5.  (a) NiFe-LDH-NF、(b) Au-NiFe-LDH-NF、(c) Pt-NiFe-LDH-NF和(d) AuPt-NiFe-LDH-NF在不同电压下的原位EIS Bode图
    Figure 5.  In-situ EIS Bode plots of (a) NiFe-LDH-NF, (b) Au-NiFe-LDH-NF, (c) Pt-NiFe-LDH-NF, and (d) AuPt-NiFe-LDH-NF at different voltages
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    根据碱性HER催化反应机制，等效电阻(图 6a)主要由从催化剂内部到反应界面的电荷转移电阻(R1)、反应中间体(Had)的积累电阻(R2)、界面电荷转移电阻(R3)和溶液电阻(R4)四个部分组成[30, 38]。拟合结果表明，NiFe-LDH-NF、Au-NiFe-LDH-NF和Pt-NiFe-LDH-NF的等效电阻大小顺序为R3 > R2 > R1，而AuPt-NiFe-LDH-NF在施加电压后R3≈R2 > R1(图 6b、6d~6f)。Volmer步骤的R2和Heyrovsky步骤的R3几乎相同，表明Au和Pt的共沉积加快了NiFe-LDH-NF的氢吸附过程和界面电荷转移过程(图 6)。不同催化剂的等效电阻与施加电位的关系有一定的差异(图 6d~6f)。首先，在催化剂上沉积Pt后，Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的R1显著减小(图 6d)，表明Pt进入了NiFe-LDH-NF的层间，使催化剂的电荷转移能力显著提高。其次，Au和Pt共沉积后，催化剂的R2和R3减小，尤其是AuPt-NiFe-LDH-NF的R3是NiFe-LDH-NF的1/10，且与Pt-NiFe-LDH-NF相比有大幅度减小，表明Au和Pt在NiFe-LDH-NF上的相互作用加快了HER的Volmer和Heyrovsky步骤(图 6e、6f)。

    图 6

    图 6.  (a) NiFe-LDH-NF、Au-NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的等效电路示意图; (b) 催化剂在0.00和-0.05 V (vs RHE)时的EIS Bode图; (c) 催化剂在过电位为50 mV时的Nyquist图; (d~f) 催化剂的等效电阻(R1、R2和R3)和电位的关系
    Figure 6.  (a) Schematic diagram of equivalent circuit for NiFe-LDH-NF, Au-NiFe-LDH-NF, Pt-NiFe-LDH-NF, and AuPt-NiFe-LDH-NF; (b) EIS Bode plots for catalysts at 0.00 and -0.05 V (vs RHE); (c) Nyquist plots for catalysts at an overpotential of 50 mV; (d-f) Relationships between equivalent resistances (R1, R2, and R3) and potentials of catalysts

    In panel a: Q represents a constant phase element (CPE).

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    2.3   催化剂的HER机制

    在碱性介质中HER的反应活性与H吸附能、OH吸附能和水解离能等有关。已有研究表明，金属Pt易吸附H(H吸附能ΔEH=-0.46 eV)[22]，NiFe-LDH-NF易吸附OH(OH吸附能ΔEOH=-3.43 eV)[39]，Pt-NiFe-LDH-NF的2个活性位点Pt和NiFe-LDH-NF分别吸附H和OH，这在加速水分解的同时避免了Had和OHad在单位点上的吸附竞争，从而使Pt-NiFe-LDH-NF的Volmer步骤显著加快(图 7a)。Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的R1减小(图 6c)，说明部分Pt插入到了LDH的层间，加速了层间的电荷转移过程。此外，在碱性介质中，在Pt催化剂中添加Au可以增加OH的吸附位点，降低Pt—OH的吸附强度，所以进一步抑制了Pt表面H和OH的竞争吸附[40-42]，从而使AuPt-NiFe-LDH-NF的Volmer步骤加快(图 7b)。Au是强电负性的金属，易与H2O形成氢键[43-44]，这使得催化剂能够稳定Pt表面的吸附水。根据Grotthuss机制，Au与界面水的氢键网络促进了分解水产生的OH由催化剂表面到界面的扩散，进而促进了AuPt-NiFe-LDH-NF的Volmer和Heyrovsky步骤。

    图 7

    图 7.  (a) Pt和NiFe-LDH-NF双吸附位点机制催化碱性HER的示意图; (b) 碱性溶液中Au稳定Pt表面吸附水的示意图和Volmer步骤产生OH-的转移示意图
    Figure 7.  (a) Schematic diagram of the dual adsorption site mechanism of Pt and NiFe-LDH-NF during alkaline HER; (b) Schematic diagram of water adsorption on Au stabilized Pt surface in alkaline solution and transfer diagram of OH- generated by Volmer step
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    2.4   OWS和PV-EC性能

    将制备的催化剂样品作为阴极和阳极，在1 mol·L-1 KOH溶液进行电解水性能测试。图 8a中的OWS LSV曲线表明，NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的OWS性能依次提升，获得10和50 mA·cm-2的电流密度时所需的电池电压依次减小(图 8c、8f)。在1.7 V的恒压下，AuPt-NiFe-LDH-NF的产氢量和产氧量均是NiFe-LDH-NF的7.7倍(图 8b、8d)，表明恒压下AuPt-NiFe-LDH-NF分解水制氢的活性显著提高，碱性水电解的能耗显著降低。图 8e中的结果进一步显示，在10 mA·cm-2的恒定电流密度下，AuPt-NiFe-LDH-NF能够稳定催化碱性分解水，且法拉第效率高达99.5%。

    图 8

    图 8.  NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF在1 mol·L-1 KOH溶液中的(a) OWS极化曲线、(b) 产氢量对比和(d) 产氧量对比; 催化剂在实现(c) 10 mA·cm-2和(f) 50 mA·cm-2的OWS电流密度时所需的电池电压; (e) AuPt-NiFe-LDH-NF的OWS法拉第效率
    Figure 8.  (a) OWS polarization curves, (b) comparison of hydrogen production, and (d) comparison of oxygen production for NiFe-LDH-NF, Pt-NiFe-LDH-NF, and AuPt-NiFe-LDH-NF in 1 mol·L-1 KOH solution; Required cell voltages for catalysts to achieve OWS at current densities of (c) 10 mA·cm-2 and (f) 50 mA·cm-2; (e) OWS Faraday efficiencies of AuPt-NiFe-LDH-NF
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    利用制备的电极与GaInP2/GaInAs/Ge太阳能电池构建PV-EC器件，实验装置如图 9a所示。图 9b是模拟太阳辐射(AM 1.5G，100 mW·cm-2)下PV电池的J-V曲线，结果表明电池的短路电流密度(Jsc)为13.44 mA·cm-2，开路电压(Voc)为2.58 V，填充因子(FF)为0.857。根据J-V曲线和电解水装置的极化曲线交点预估PV-EC系统的理论ηSTH为19.9%。实际测试表明GaInP2/GaInAs/Ge+AuPt-NiFe-LDH-NF系统的ηSTH可达17.2%(图 9c)，略低于理论预估值19.9%。

    图 9

    图 9.  (a) PV-EC装置的示意图; (b) 在AM 1.5G(100 mW·cm-2)模拟太阳光照射下GaInP2/GaInAs/Ge三结太阳能电池的J-V曲线和AuPt-NiFe-LDH-NF双电极分解水的极化曲线; (c) 不同催化剂的PV-EC系统在5 h内的分解水产氢量对比和ηSTH
    Figure 9.  (a) PV-EC device schematic; (b) J-V curve of the GaInP2/GaInAs/Ge triple-junction solar cells under AM 1.5 G (100 mW·cm-2) simulated solar illumination and polarization curve of OWS with AuPt-NiFe-LDH-NF two-electrode configuration; (c) Comparison of the hydrogen produced by water splitting within 5 h and ηSTH of a PV-EC system with different catalysts
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    3.   结论

    通过电沉积和浸渍电还原法制备了AuPt共沉积的高效碱性HER电催化剂(AuPt-NiFe-LDH-NF)，该催化剂只需17 mV的过电位便可获得10 mA·cm-2的HER电流密度，在1.467 V的外加电压便可以实现10 mA·cm-2的碱性全解水。原位电化学阻抗谱表明，负载Pt后NiFe-LDH-NF的电荷转移电阻减小，层间电荷转移能力提高，并且Pt和Ni双吸附位点避免了分解水产生的H和OH在单一位点上的吸附竞争，加快了Volmer步骤。Au和Pt共沉积使Volmer和Heyrovsky步骤的拟合电阻均显著减小。强电负性的金属Au可以与界面水构建氢键网络，不仅稳定了Pt表面的吸附水，还通过Grotthuss机制加快了分解水产生的OH-向界面的转移，从而使催化剂的碱性HER活性显著提升。此外，将GaInP2/GaInAs/Ge太阳能电池与AuPt-NiFe-LDH-NF催化剂构成的电解系统实现了17.2%的STH效率。


    1. [1]

      HU K L, OHTO T, NAGATA Y, WAKISAKA M, AOKI Y, FUJITA J I, ITO Y. Catalytic activity of graphene-covered non-noble metals governed by proton penetration in electrochemical hydrogen evolution reaction[J]. Nat. Commun., 2021, 12(1): 203 doi: 10.1038/s41467-020-20503-7

    2. [2]

      LUO S L, LIU W Z, LIAO R, GUAN J H, GUO X, WANG Z B, CHEN Y H, TIAN Z Y, LIU H X, NIU X P, LIU S T. Life cycle environmental and economic assessments of industry-level hydrogen production technologies[J]. Int. J. Hydrog. Energy, 2026, 203: 153246 doi: 10.1016/j.ijhydene.2025.153246

    3. [3]

      杨绍华, 高娜娜, 弓亚琼. 以金属有机骨架为模板构建FeOOH@CoMoO4/泡沫镍异质结构用于高效析氧反应[J]. 无机化学学报, 2025, 41(10): 2175-2185. doi: 10.11862/CJIC.20250218YANG S H, GAO N N, GONG Y Q. Metal-organic framework-templated construction of FeOOH@CoMoO4/nickel foam heterostructure for enhanced oxygen evolution reaction[J]. Chinese J. Inorg Chem., 2025, 41(10): 2175-2185 doi: 10.11862/CJIC.20250218

    4. [4]

      苗瑞霞, 牛佳美, 晏杰, 贾小坛. 金属掺杂对β-Ga2O3光催化分解水制氢性能的影响[J]. 分子催化(中英文), 2025, 39(1): 76-84.MIAO R X, NIU J M, YAN J, JIA X Y. Impact of metal doping on the photocatalytic water splitting performance of β-Ga2O3 for hydrogen production[J]. J. Mol. Catal. (China), 2025, 39(1): 76-84

    5. [5]

      LI G, YUAN J X, ZHOU J S, LI X, PENG Z H, WANG J, LEUNG M K H. Tailoring electron-rich Ru/Mo-RuO2 heterointerface triggers ultrastable proton-inert oxygen evolution reaction[J]. Chem. Eng. J., 2025, 526: 171062 doi: 10.1016/j.cej.2025.171062

    6. [6]

      张志艳, 张潇, 石琛琛. 共价有机框架负载贵金属铂用于电催化析氢[J]. 分子催化(中英文), 2024, 38(1): 42-50.ZHANG Z Y, ZHANG X, SHI C C. Covalent organic frameworks supported noble-metal Pt for electrocatalytic hydrogen evolution[J]. J. Mol. Catal. (China), 2024, 38(1): 42-50

    7. [7]

      WU T, XU S M, ZHANG Z, LUO M J, WANG R Q, TANG Y F, WANG J C, HUANG F Q. Bimetal modulation stabilizing a metallic heterostructure for efficient overall water splitting at large current density[J]. Adv. Sci., 2022, 9(25): 2202750 doi: 10.1002/advs.202202750

    8. [8]

      LU Z J, TIAN J, ZHAO Q L, XIE J, HU J D, JIA W, CAO Y L. Pt3Co nanoparticles anchored on Co@NCNT via one-step high-temperature pyrolysis boosting methanol oxidation and high-efficiency pH-universal hydrogen evolution[J]. Fuel, 2025, 400: 135798 doi: 10.1016/j.fuel.2025.135798

    9. [9]

      WANG T Y, XIE H, CHEN M J, D′ALOIA A, CHO J, WU G, LI Q. Precious metal-free approach to hydrogen electrocatalysis for energy conversion: From mechanism understanding to catalyst design[J]. Nano Energy, 2017, 42: 69-89 doi: 10.1016/j.nanoen.2017.10.045

    10. [10]

      JIN H, RUQIA B, PARK Y, KIM H J, OH H S, CHOI S I, LEE K. Nanocatalyst design for long-term operation of proton/anion exchange membrane water electrolysis[J]. Adv. Energy Mater., 2021, 11(4): 2003188 doi: 10.1002/aenm.202003188

    11. [11]

      ZHANG J X, ZHANG L H, LIU J M, ZHONG C Z, TU Y H, LI P, DU L, CHEN S L, CUI Z M. OH spectator at IrMo intermetallic narrowing activity gap between alkaline and acidic hydrogen evolution reaction[J]. Nat. Commun., 2022, 13(1): 5497 doi: 10.1038/s41467-022-33216-w

    12. [12]

      LIU J, SUN X L, DU Y M, LIU Y R, WANG W N, CHEN D H, ZHANG R Y, WANG L. Ru-triggered domino effect constructs a local acid-like environment to achieve the ampere-level current density of a/c-Ru-FeP/IF electrode for alkaline HER[J]. Appl. Catal. B‒Environ., 2025, 366: 125030

    13. [13]

      LI Y, SONG W N, GAI T, WANG L P, LI Z, HE P, LIU Q, LEE L Y S. Self-activated oxophilic surface of porous molybdenum carbide nanosheets promotes hydrogen evolution activity in alkaline environment[J]. J. Colloid Interface Sci., 2025, 691: 137423 doi: 10.1016/j.jcis.2025.137423

    14. [14]

      ZHAO Y, GAO Y X, CHEN Z, LI Z J, MA T Y, WU Z X, WANG L. Trifle Pt coupled with NiFe hydroxide synthesized via corrosion engineering to boost the cleavage of water molecule for alkaline water-splitting[J]. Appl. Catal. B‒Environ., 2021, 297: 120395

    15. [15]

      贾海浪, 路玉杰, 吉鹏程. 氮磷共掺杂石墨烯气凝胶载钌析氢电催化剂的制备与性能[J]. 无机化学学报, 2025, 41(11): 2327-2336. doi: 10.11862/CJIC.20250021JIA H L, LU Y J, JI P C. Preparation and properties of nitrogen and phosphorus co-doped graphene carbon aerogel supported ruthenium electrocatalyst for hydrogen evolution reaction[J]. Chinese J. Inorg Chem., 2025, 41(11): 2327-2336 doi: 10.11862/CJIC.20250021

    16. [16]

      XUE S, HAID R W, KLUGE R M, DING X, GARLYYEV B, FICHTNER J, WATZELE S, HOU S, BANDARENKA A S. Enhancing the hydrogen evolution reaction activity of platinum electrodes in alkaline media using nickel-iron clusters[J]. Angew. Chem. ‒Int. Edit., 2020, 59(27): 10934-10938

    17. [17]

      SAM D K, TANG Z, CAO Y. Ru-Mo2C nanoclusters anchored on N, P crownshaft-derived porous carbon for efficient hydrogen evolution in alkaline seawater[J]. J. Colloid Interface Sci., 2025, 699: 138213 doi: 10.1016/j.jcis.2025.138213

    18. [18]

      HU C L, ZHANG L, GONG J L. Recent progress made in the mechanism comprehension and design of electrocatalysts for alkaline water splitting[J]. Energy Environ. Sci., 2019, 12(9): 2620-2645 doi: 10.1039/C9EE01202H

    19. [19]

      LI M F, WANG H Z, YANG Z J, YIN Z X, LIU Y, BIAN Y M, WANG Y, ZHENG X R, DENG Y D. Synergistic enhancement of alkaline hydrogen evolution reaction by role of Ni-Fe LDH introducing frustrated Lewis pairs via vacancy-engineered[J]. Chin. Chem. Lett., 2025, 36(3): 110199 doi: 10.1016/j.cclet.2024.110199

    20. [20]

      WANG X S, ZHENG Y, SHENG W C, XU Z C J, JARONIEC M, QIAO S Z. Strategies for design of electrocatalysts for hydrogen evolution under alkaline conditions[J]. Mater. Today, 2020, 36: 125-138 doi: 10.1016/j.mattod.2019.12.003

    21. [21]

      ZHENG Y, JIAO Y, VASILEFF A, QIAO S Z. The hydrogen evolution reaction in alkaline solution: From theory, single crystal models, to practical electrocatalysts[J]. Angew. Chem. ‒Int. Edit., 2018, 57(26): 7568-7579

    22. [22]

      SHENG W C, MYINT M, CHEN J G G, YAN Y S. Correlating the hydrogen evolution reaction activity in alkaline electrolytes with the hydrogen binding energy on monometallic surfaces[J]. Energy Environ. Sci., 2013, 6(5): 1509-1512 doi: 10.1039/c3ee00045a

    23. [23]

      JEONG S M, MAI H D, NAM K H, PARK C M, JEON K J. Self-healing graphene-templated platinum-nickel oxide heterostructures for overall water splitting[J]. ACS Nano, 2022, 16(1): 930-938 doi: 10.1021/acsnano.1c08506

    24. [24]

      KEPP K P. A quantitative scale of oxophilicity and thiophilicity[J]. Inorg. Chem., 2016, 55(18): 9461-9470 doi: 10.1021/acs.inorgchem.6b01702

    25. [25]

      XU Q C, ZHANG J H, ZHANG H X, ZHANG L Y, CHEN L, HU Y J, JIANG H, LI C Z. Atomic heterointerface engineering overcomes the activity limitation of electrocatalysts and promises highly‑ efficient alkaline water splitting[J]. Energy Environ. Sci., 2021, 14(10): 5228-5259 doi: 10.1039/D1EE02105B

    26. [26]

      WEI J M, ZHOU M, LONG A C, XUE Y M, LIAO H B, WEI C, XU Z C J. Heterostructured electrocatalysts for hydrogen evolution reaction under alkaline conditions[J]. Nano‒Micro Lett., 2018, 10(4): 75

    27. [27]

      SUBBARAMAN R, TRIPKOVIC D, CHANG K C, STRMCNIK D, PAULIKAS A P, HIRUNSIT P, CHAN M, GREELEY J, STAMENKOVIC V, MARKOVIC N M. Trends in activity for the water electrolyser reactions on 3d M(Ni, Co, Fe, Mn) hydr(oxy)oxide catalysts[J]. Nat. Mater., 2012, 11(6): 550-557 doi: 10.1038/nmat3313

    28. [28]

      LIU E S, LI J K, JIAO L, DOAN H T T, LIU Z Y, ZHAO Z P, HUANG Y, ABRAHAM K M, MUKERJEE S, JIA Q Y. Unifying the hydrogen evolution and oxidation reactions kinetics in base by identifying the catalytic roles of hydroxyl-water-cation adducts[J]. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141(7): 3232-3239 doi: 10.1021/jacs.8b13228

    29. [29]

      SUN Q, OLIVEIRA N J, KWON S, TYUKHTENKO S, GUO J J, MYRTHIL N, LOPEZ S A, KENDRICK I, MUKERJEE S, MA L, EHRLICH S N, LI J K, GODDARD W A, YAN Y S, JIA Q Y. Understanding hydrogen electrocatalysis by probing the hydrogen-bond network of water at the electrified Pt-solution interface[J]. Nat. Energy, 2023, 8(8): 859-869 doi: 10.1038/s41560-023-01302-y

    30. [30]

      CHEN W, WU B B, WANG Y Y, ZHOU W, LI Y Y, LIU T Y, XIE C, XU L T, DU S Q, SONG M L, WANG D D, LIU Y B, LI Y F, LIU J L, ZOU Y Q, CHEN R, CHEN C, ZHENG J Y, LI Y F, CHEN J, WANG S Y. Deciphering the alternating synergy between interlayer Pt single-atom and NiFe layered double hydroxide for overall water splitting[J]. Energy Environ. Sci., 2021, 14(12): 6428-6440 doi: 10.1039/D1EE01395E

    31. [31]

      WENG X X, LIU Y, WANG K K, FENG J J, YUAN J H, WANG A J, XU Q Q. Single-step aqueous synthesis of AuPt alloy nanodendrites with superior electrocatalytic activity for oxygen reduction and hydrogen evolution reaction[J]. Int. J. Hydrog. Energy, 2016, 41(40): 18193-18202 doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.07.160

    32. [32]

      ZHOU D J, CAI Z, BI Y M, TIAN W L, LUO M, ZHANG Q, ZHANG Q, XIE Q X, WANG J D, LI Y P, KUANG Y, DUAN X, BAJDICH M, SIAHROSTAMI S, SUN X M. Effects of redox-active interlayer anions on the oxygen evolution reactivity of NiFe-layered double hydroxide nanosheets[J]. Nano Res., 2018, 11(3): 1358-1368 doi: 10.1007/s12274-017-1750-9

    33. [33]

      BAI Y K, WU Y, ZHOU X C, YE Y F, NIE K Q, WANG J O, XIE M, ZHANG Z X, LIU Z J, CHENG T, GAO C B. Promoting nickel oxidation state transitions in single‑layer NiFeB hydroxide nanosheets for efficient oxygen evolution[J]. Nat. Commun., 2022, 13(1): 6094 doi: 10.1038/s41467-022-33846-0

    34. [34]

      ZHANG T Y, JIN J, CHEN J M, FANG Y Y, HAN X, CHEN J Y, LI Y P, WANG Y, LIU J F, WANG L. Pinpointing the axial ligand effect on platinum single-atom-catalyst towards efficient alkaline hydrogen evolution reaction[J]. Nat. Commun., 2022, 13(1): 6875 doi: 10.1038/s41467-022-34619-5

    35. [35]

      XIE J F, QU H C, LEI F C, PENG X, LIU W W, GAO L, HAO P, CUI G W, TANG B. Partially amorphous nickel-iron layered double hydroxide nanosheet arrays for robust bifunctional electrocatalysis[J]. J. Mater. Chem. A, 2018, 6(33): 16121-16129 doi: 10.1039/C8TA05054F

    36. [36]

      ZHANG J, SASAKI K, SUTTER E, ADZIC R R. Stabilization of platinum oxygen-reduction electrocatalysts using gold clusters[J]. Science, 2007, 315(5809): 220-222 doi: 10.1126/science.1134569

    37. [37]

      MAO B G, SUN P P, JIANG Y, MENG T, GUO D L, QIN J W, CAO M H. Identifying the transfer kinetics of adsorbed hydroxyl as a descriptor of alkaline hydrogen evolution reaction[J]. Angew. Chem. ‒Int. Edit., 2020, 59(35): 15232-15237

    38. [38]

      XIE C, CHEN W, DU S Q, YAN D F, ZHANG Y Q, CHEN J, LIU B, WANG S Y. In-situ phase transition of WO3 boosting electron and hydrogen transfer for enhancing hydrogen evolution on Pt[J]. Nano Energy, 2020, 71: 104653 doi: 10.1016/j.nanoen.2020.104653

    39. [39]

      KIM J, JUNG H, JUNG S M, HWANG J, KIM D Y, LEE N, KIM K S, KWON H, KIM Y T, HAN J W, KIM J K. Tailoring binding abilities by incorporating oxophilic transition metals on 3D nanostructured Ni arrays for accelerated alkaline hydrogen evolution reaction[J]. J. Am. Chem. Soc., 2021, 143(3): 1399-1408 doi: 10.1021/jacs.0c10661

    40. [40]

      VAN BRUSSEL M, KOKKINIDIS G, VANDENDAEL I, BUESS-HERMAN C. High performance gold-supported platinum electrocatalyst for oxygen reduction[J]. Electrochem. Commun., 2002, 4(10): 808-813 doi: 10.1016/S1388-2481(02)00437-X

    41. [41]

      KARLBERG G S. Adsorption trends for water, hydroxyl, oxygen, and hydrogen on transition-metal and platinum-skin surfaces[J]. Phys. Rev. B, 2006, 74(15): 153414 doi: 10.1103/PhysRevB.74.153414

    42. [42]

      CHANG F F, SHAN S Y, PETKOV V, SKEETE Z, LU A L, RAVID J, WU J F, LUO J, YU G, REN Y, ZHONG C J. Composition tunability and (111)-dominant facets of ultrathin platinum-gold alloy nanowires toward enhanced electrocatalysis[J]. J. Am. Chem. Soc., 2016, 138(37): 12166-12175 doi: 10.1021/jacs.6b05187

    43. [43]

      SCHMIDBAUR H. Proof of concept for hydrogen bonding to gold, Au…H—X[J]. Angew. Chem. ‒Int. Edit., 2019, 58(18): 5806-5809

    44. [44]

      LI Y K, CHEN Y X, LIU Z F. OH-center dot center dot center dot Au hydrogen bond and its effect on the oxygen reduction reaction on Au(100) in alkaline media[J]. J. Phys. Chem. Lett., 2022: 9035-9043

  • 图 1  NiFe-LDH-NF、Au-NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的(a、b) XRD图、(c) ATR-FTIR谱图和(d) 拉曼谱图

    Figure 1  (a, b) XRD patterns, (c) ATR-FTIR spectra, and (d) Raman spectra of NiFe-LDH-NF, Au-NiFe-LDH-NF, Pt-NiFe-LDH-NF, and AuPt-NiFe-LDH-NF

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 2  (a) NiFe-LDH-NF、(b) Au-NiFe-LDH-NF、(c) Pt-NiFe-LDH-NF和(d) AuPt-NiFe-LDH-NF的SEM图; AuPt-NiFe-LDH的(e) TEM图、(f) HRTEM图、(g) EDS元素映射图和(h) ICP-OES图

    Figure 2  SEM images of (a) NiFe-LDH-NF, (b) Au-NiFe-LDH-NF, (c) Pt-NiFe-LDH-NF, and (d) AuPt-NiFe-LDH-NF; (e) TEM images, (f) HRTEM images, (g) EDS element mapping images, and (h) ICP-OES diagram of AuPt-NiFe-LDH

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 3  样品的(a) Ni2p、(b) Fe2p、(c) O1s、(d) Pt4f和(e) Au4f高分辨XPS谱图

    Figure 3  (a) Ni2p, (b) Fe2p, (c) O1s, (d) Pt4f, and (e) Au4f high-resolution XPS spectra of the samples

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 4  NF、NiFe-LDH-NF、Au-NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF、Pt片、Pt/C-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的(a) LSV曲线和(b) 不同电流密度下的过电位; NiFe-LDH-NF、Au-NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的(c) Tafel斜率和(d) ECSA; (e) NiFe-LDH-NF、AuPt-NiFe-LDH-NF和Pt-NiFe-LDH-NF的稳定性曲线; (f) AuPt-NiFe-LDH-NF在较大电流密度下的LSV曲线(插图: 100 mA·cm-2时的稳定性曲线)

    Figure 4  (a) LSV curves and (b) overpotentials at different current densities of NF, NiFe-LDH-NF, Au-NiFe-LDH-NF, Pt-NiFe-LDH-NF, Pt foil, Pt/C-NF, and AuPt-NiFe-LDH-NF; (c) Tafel slopes and (d) ECSA of NiFe-LDH-NF, Au-NiFe-LDH-NF, Pt-NiFe-LDH-NF, and AuPt-NiFe-LDH-NF; (e) Stability curves of NiFe-LDH-NF, AuPt-NiFe-LDH-NF, and Pt-NiFe-LDH-NF; (f) LSV curves of AuPt-NiFe-LDH-NF under high current density (inset: stability curve at 100 mA·cm-2)

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 5  (a) NiFe-LDH-NF、(b) Au-NiFe-LDH-NF、(c) Pt-NiFe-LDH-NF和(d) AuPt-NiFe-LDH-NF在不同电压下的原位EIS Bode图

    Figure 5  In-situ EIS Bode plots of (a) NiFe-LDH-NF, (b) Au-NiFe-LDH-NF, (c) Pt-NiFe-LDH-NF, and (d) AuPt-NiFe-LDH-NF at different voltages

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 6  (a) NiFe-LDH-NF、Au-NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF的等效电路示意图; (b) 催化剂在0.00和-0.05 V (vs RHE)时的EIS Bode图; (c) 催化剂在过电位为50 mV时的Nyquist图; (d~f) 催化剂的等效电阻(R1、R2和R3)和电位的关系

    Figure 6  (a) Schematic diagram of equivalent circuit for NiFe-LDH-NF, Au-NiFe-LDH-NF, Pt-NiFe-LDH-NF, and AuPt-NiFe-LDH-NF; (b) EIS Bode plots for catalysts at 0.00 and -0.05 V (vs RHE); (c) Nyquist plots for catalysts at an overpotential of 50 mV; (d-f) Relationships between equivalent resistances (R1, R2, and R3) and potentials of catalysts

    In panel a: Q represents a constant phase element (CPE).

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 7  (a) Pt和NiFe-LDH-NF双吸附位点机制催化碱性HER的示意图; (b) 碱性溶液中Au稳定Pt表面吸附水的示意图和Volmer步骤产生OH-的转移示意图

    Figure 7  (a) Schematic diagram of the dual adsorption site mechanism of Pt and NiFe-LDH-NF during alkaline HER; (b) Schematic diagram of water adsorption on Au stabilized Pt surface in alkaline solution and transfer diagram of OH- generated by Volmer step

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 8  NiFe-LDH-NF、Pt-NiFe-LDH-NF和AuPt-NiFe-LDH-NF在1 mol·L-1 KOH溶液中的(a) OWS极化曲线、(b) 产氢量对比和(d) 产氧量对比; 催化剂在实现(c) 10 mA·cm-2和(f) 50 mA·cm-2的OWS电流密度时所需的电池电压; (e) AuPt-NiFe-LDH-NF的OWS法拉第效率

    Figure 8  (a) OWS polarization curves, (b) comparison of hydrogen production, and (d) comparison of oxygen production for NiFe-LDH-NF, Pt-NiFe-LDH-NF, and AuPt-NiFe-LDH-NF in 1 mol·L-1 KOH solution; Required cell voltages for catalysts to achieve OWS at current densities of (c) 10 mA·cm-2 and (f) 50 mA·cm-2; (e) OWS Faraday efficiencies of AuPt-NiFe-LDH-NF

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 9  (a) PV-EC装置的示意图; (b) 在AM 1.5G(100 mW·cm-2)模拟太阳光照射下GaInP2/GaInAs/Ge三结太阳能电池的J-V曲线和AuPt-NiFe-LDH-NF双电极分解水的极化曲线; (c) 不同催化剂的PV-EC系统在5 h内的分解水产氢量对比和ηSTH

    Figure 9  (a) PV-EC device schematic; (b) J-V curve of the GaInP2/GaInAs/Ge triple-junction solar cells under AM 1.5 G (100 mW·cm-2) simulated solar illumination and polarization curve of OWS with AuPt-NiFe-LDH-NF two-electrode configuration; (c) Comparison of the hydrogen produced by water splitting within 5 h and ηSTH of a PV-EC system with different catalysts

    下载: 全尺寸图片 幻灯片
  • 加载中
WeChat 扫一扫看文章
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  71
  • HTML全文浏览量:  18
文章相关
  • 发布日期:  2026-07-10
  • 修回日期:  2026-01-31
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章

All Rights Reserved by the Chinese Chemical Society   中国化学会 版权所有 京ICP备05002797号

本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司开发    技术支持: info@rhhz.net