近日，天津大學材料學院金屬功能材料研究團隊在國際知名化學材料期刊Angewandte Chemie International Edition上發表題為“Alloying-Triggered Phase Engineering of NiFe System via Laser-Assisted Al Incorporation for Full Water Splitting”的研究論文。

高效的雙功能電催化劑既可用于析氫反應(HER)，又可用于析氧反應(OER)，對于實現可持續發展、低成本商業至關重要。然而，由于析氫和析氧反應的電催化機理不同，兩者所采用的材料體系不易相互匹配。因此，設計一種兼具HER和OER的非貴重金屬材料是當前領域研究的一項重要挑戰。一些研究結果表明，鎳鐵(NiFe)基催化劑通常被用作OER催化劑。同時，在特殊環境下它們可以也用于HER。但其固有的低電導率和在堿性溶液中腐蝕所導致的不穩定性嚴重阻礙了其催化性能的進一步提高及應用。此外，已報道的傳統制備方法(水熱法和電沉積法)所制備的NiFe基電極大多結構復雜，不適合大規模生產。

圖1.納米孔NiFeAl/NF電極的合成示意圖

圖2.電催化（a-b）析氫和（c-d）析氧反應性能比較；（e-h）關于HER和OER反應不同活性位點自由能的DFT計算

在大量前期工作的基礎上，金屬功能材料研究團隊精心構建了一個由Ni2Al3和Ni3Fe相組成的自立式雜化體系。如圖1所示，通過在泡沫鎳上激光輔助鋁(Al)摻入合金及隨后的脫合金化來實現有效的全水裂解。其中，Ni和Fe的合金化可以實現了對其電子結構的調節，導電的Ni3Fe又促進了電荷轉移，同時，Al摻雜形成的Ni2Al3相具有較高的HER活性。在此項研究中，我們所提出并實施的激光直寫(Laser-Direct-Writing)技術具有加工速度快、生產成本低等優點，在催化劑涂層和基材之間的界面上可實現牢固的冶金結合，確保電極的長期耐用性。此外，用激光將催化劑結合到泡沫鎳上所形成自支撐結構，可以增加催化劑的導電性，改善其穩定性。實驗研究結果如圖2所示，Ni18Fe12Al70具有極低的過電位來觸發HER(η100=188 mV)和OER(η100=345 mV)過程，可與最先進的電催化劑相媲美。理論計算結果表明，Ni2Al3和Ni3Fe合金在異質結處發生了H原子的共吸收，使勢壘降低到0.081 eV，從而證實了Ni2Al3和Ni3Fe合金在HER過程中的協同作用。此外，該催化劑在100和400 mA cm-2的大電流密度下均能保持穩定的過電位達100 h，而雙電極堿性水電解槽在1.54 V的槽電壓下即可獲得10 mA·cm-2的電流密度，同時該電解槽在100 h內表現出良好的電化學穩定性。因此，激光輔助Al摻雜的合金化而觸發相工程學是一種獲得大規模、低成本生產非貴重金屬雙功能催化劑的可行方案，在未來實現雙功能催化劑的商業化應用具有重要的研究意義。