镍铁合金;析氧反应;碱性水电解;电沉积;镍网
本研究报道采用一种简便、易放大的方法制备出高活性、高稳定性的OER催化剂。以商用镍网为基底，通过电沉积法一步制备出多孔镍铁合金催化剂电极，无需黏接剂。电极制备过程中，金属离子Ni2+、Fe2+沉积和氢气析气同时发生。催化剂的多级孔结构是在电极上强烈析气的条件下逐步形成的。由于电极制备环境与其工作环境类似，从而能够较好的适应析氧反应所需的离子传递和气泡释放条件，表现出优异的OER催化活性。电流密度为10mA·cm-2时，电极的过电位为210mV，塔菲尔斜率为35mV·dec-1。在工业生产水电解条件下，电流密度为200和500mA·cm-2时，电极的过电位仅为250和340mV。水电解连续运行250h，电极性能无明显衰减，表现出了优异的稳定性。
六水合氯化镍(NiCl2·6H2O)、氯化铵(NH4Cl)、浓硫酸(H2SO4)、氢氧化钾(KOH)、异丙醇(C3H8O)和无水乙醇(C2H6O)均为分析纯，购自天津市科密欧化学试剂有限公司。四水合氯化亚铁(FeCl2·4H2O)为分析纯，购自上海源叶生物科技有限公司。200目镍网(N6)购自康威金属丝网制品有限公司。杜邦Nafion溶液(D520)、河森铱黑(Ir)购自上海河森电气有限公司。去离子水(≥3MΩ·cm)购自天津市永清源蒸馏水经营部。
依同样方法，改变电镀液中FeCl2·4H2O的量即可得到不同镍铁比的多孔镍铁合金电极。为对比用，取5.00mg铱黑，加入400μL去离子水、600μL异丙醇、15μL杜邦Nafion溶液配制成催化剂墨水，超声分散1h，并将其均匀地滴涂于准备好的镍网上，得到Ir/Ni电极。
采用X射线衍射仪(XRD,D8Focus,Bruker)对催化剂电极的晶体结构进行表征，所需粉末样品系对整体催化剂超声1h后收集得到。采用场发射扫描电子显微镜(SEM,S-4800,Hitachi)对制备的催化剂电极进行形貌分析，并用X射线能谱分析仪(EDS,EDAX,AMETEK)进行元素分析。采用激光共聚焦拉曼光谱仪(ConfocalRamanMicroscopy,LabRAMHREvolution,HORIBA)采集样品的拉曼光谱。
在电镀过程中，镍网基底上发生Ni2+、Fe2+还原反应的同时还发生析氢反应：
基于此，后续讨论中的电极制备条件均为3A·cm-2的电流密度下电镀180s。
以镍网为基底，通过一步电沉积制备了多孔镍铁合金电极。该电极具有丰富的孔结构和较高的比表面积，其OER催化活性超过了许多前人报道的镍铁基催化剂。Fe含量对多孔镍铁合金电极的本征催化活性有影响，当Fe摩尔分数达到15%时，催化活性最高。Ni0.85Fe0.15-180-3在工业水电解条件下有较高的稳定性，运行250h性能无明显衰减。一步电沉积制备的廉价、高活性与稳定性镍铁合金电极在碱性水电解制氢中具有广阔的前景。强析气条件下形成的多级孔结构电极的成功制备也为其它析气电极结构优化提供了新的思路。