北京
贵金属原料成本高昂是限制电催化全解水制氢的主要原因。目前，非贵金属电催化剂活性差、合成方法复杂等问题亟待解决。为此，伍复发、赵荣达团队在KOH溶液中采用去合金工艺制备了表面具有纳米片状结构的Fe75Si12.5B12.5合金。实验结果表明，由于Fe-Si相在碱性溶液中溶解速度较快，因此表面存在大量B掺杂的Fe纳米片。少量B元素的键合和Fe纳米片的氧化作用可以提高析氢反应（HER）的活性。在10 mA/cm2电流密度下，析氢反应的过电位为214 mV。元素之间的配位和去合金化过程不仅增加了电化学表面积，还提高了Fe原子的电催化活性。这项工作为设计铁基电催化剂提供了新思路。相关研究成果以“De-alloyed Non-noble Fe-based Alloy for Hydrogen Evolution Reaction”为题发表在期刊Scripta Materialia上。第一作者：崔喆；通讯作者：李佳、伍复发、赵荣达。通讯单位：辽宁工业大学材料科学与工程学院。
论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116344
本文亮点
1、利用FeSi相与Fe2B相在KOH碱性溶液腐蚀速率的差异，去合金化得到B掺杂的Fe纳米片；
2、去合金化后得到的B掺杂的Fe纳米片，在10 mA/cm2电流密度下，析氢反应的过电位为214 mV；
3、NS-Fe-B在工业应用级电流密度下，依然具有良好的耐久性。在100 mA/cm2电流密度下，析氢反应的过电位为255 mV，并能稳定保持30小时以上。
图1. （a）Fe-Si-B去合金化示意图；（b）Fe-Si-B去合金化前后的X射线衍射图谱。
图2. Fe75Si12.5B12.5中Fe2B相（a）和FeSi相（b）的透射电子显微镜图像；（c）去合金化后的NS-Fe-B样品表面的扫描电子显微镜图像；图2（c）中同一区域的Fe K-α1边（d）和B K-α1,2边（e）的能量色散光谱仪映射图像。
图3. Fe-Si-B and NS-Fe-B样品表面Fe 2p（a）；O 1s（b）和Si 2p（c）的X射线光电子能谱。
图4.（a）原材料以及去合金化前后的Fe-Si-B金属间化合物的线性扫描伏安特性曲线；（b）Tafel斜率；（c）电流密度随扫描速率变化拟合直线；（d）交流阻抗谱；（e）1000圈线性扫描伏安特性曲线对比；（f）100 mA/cm2电流密度下，NS-Fe-B样品的计时电位曲线。
总结与展望
Fe75Si12.5B12.5金属间化合物存在FeSi和Fe2B两相，两相的组成和去合金过程相互协调，不仅增加了表面积，还提高了催化位点的活性。在10 mA/cm2电流密度下，214 mV的过电位虽然性能并不出众。但其易得的原料、简单的合成方法和大电流密度下优异的耐久性，能够有效降低电催化全解水制氢的产业化成本。这项工作为设计铁基电催化剂提供了一种新策略。
来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队大力支持。
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