由于地球上豐富的海水資源，直接電解海水制取綠氫被認為是極具潛力的新能源技術，有利于推動碳中和。氯氣析出（CER）副反應以及氯離子對催化劑的腐蝕是直接電解海水的核心難題。為解決該難題，浙江大學學者將變價V離子引入NiFe氫氧化物，以調控Ni位點的氧化還原。作者利用臺式X射線吸收譜儀系統easyXAFS解析了催化劑的精細結構，并結合多種其他表征及DFT理論計算，證明V摻雜可促進高價Ni物種的形成，并抑制Cl離子的吸附。所得催化劑在極低的過電勢下實現了安培級別的大電流，并在海水電解中保持幾百小時的穩定性。該成果以“Regulating the redox cycle of nickel species for efficient seawater electrolysis”為題發表于Applied Catalysis B.。
本文使用的是美國easyXAFS公司研發的臺式X射線吸收譜儀系統easyXAFS300，如圖1所示。該設備無需同步輻射光源，可以在常規實驗室環境中實現X射線吸精細結構譜XAFS和X射線發射譜XES的雙通道測試，獲得媲美同步輻射光源的優質譜圖，用于分析材料的元素價態、化學鍵、配位結構等全方位信息，廣泛應用于電池能源、催化、地質、環境、陶瓷、電磁波材料、核化學等研究領域。該設備幫助國內外用戶取得大量優秀的科研成果，發表于J. Am. Chem. Soc., Angew., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nat. Commun.等期刊。
圖1. 美國臺式X射線吸收譜儀系統easyXAFS300
圖2a展示了催化劑在堿性海水中的線性伏安曲線，其中NiFeV在472 mV的過電勢下達到1.5 A cm-2電流。圖2b展示了催化劑產O2的法拉第效率，NiFeV在500 mA cm-2的大電流下仍能保持99%。同時，NiFeV在500 mA cm-2平穩運行240 h，過電勢僅增加23.3 mV(圖2c)。上述結果表明NiFeV的活性，O2選擇性，及穩定性均優于貴金屬RuO2催化劑。圖2d總結了本文催化劑的各項電化學性能指標與其他文獻的對比情況，NiFeV在文獻報道中處于領先地位。
圖2. （a）堿性海水中的線性伏安曲線。（b）不同電流下的法拉第效率。（c）500mA cm-2下的恒電流穩定性測試。（d）NiFeV與文獻報道催化劑的海水電解性能對比。
為了更深入地研究 NiFeV/NF 的電子結構和配位特性，作者測試了 X 射線吸收光譜 (XAS)。具體而言，NiFeV/NF 的 Ni-K邊的 X 射線吸收近邊結構 (XANES) 顯示出比 NiO 更高的平均氧化度（圖3a 和 b）。放大的 XANES 光譜揭示了 NiFeV 中 Ni-K邊吸收能量的輕微藍移，這表明其氧化態比 NiFe 更高。這一觀察結果強調了 V 摻入對氧化態的重大影響，這與 XPS 的結果完美契合。有趣的是，與 NiFe 相比，NiFeV 的邊前峰強度增加，暗示 NiFeV 中的 Ni 原子的中心對稱配位環境較差。 NiFeV 的擴展 X 射線吸收精細結構 (EXAFS) 顯示出 1.6 ? 和 2.7 ? 處的兩個主峰，分別指認為 Ni-O 和 Ni-M（M = Ni、Fe 或 V）散射路徑（圖3c）。值得注意的是，NiFeV 中對應于 Ni-O 殼的較低峰強度證實了對八面體中心對稱結構的破壞性影響，使其有別于更對稱的 NiFe 排列。作者進一步使用小波變換 (WT) 分析證實了上述結果（圖3d-f）。這項全面的 XAS 研究證實了摻入 V 后 NiFe 氫氧化物的電子和幾何結構的調整。
圖3. （a）Ni-K邊XANES譜圖及（b）吸收邊局部放大圖。（c）Ni-K邊EXAFS譜圖的傅里葉變換圖。（d）NiO, (e)NiFe,及（f）NiFeV的小波變換圖。
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