三维Ni(OH)2/Ni@N掺杂还原氧化石墨烯复合电极的制备及电催化析氢性能

周 琦 雒有成

(1兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州 730050)(2兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州 730050)

0 引言

由于对能源的需求增加以及化石燃料的减少，可再生的清洁能源备受关注。氢能具有能量密度高、无污染和零排放等优点，被认为是化石能源的替代品之一[1-3]。通过电催化分解水能够真正提供清洁、可持续的氢能。但是，在实际应用中商用电解槽的电位为1.8～2.0 V，远高于理论电压1.23 V，过电位的存在导致更多的电能消耗[4]。因此，需要开发高效的析氢催化剂以降低过电位，从而推动电解水商业化发展。Pt基电催化剂的析氢起始电位接近0，是目前催化活性最高的一类催化剂，但由于其储量低、稳定性较差而限制了大规模应用[5]。所以，析氢催化剂的研究趋向于开发高活性与稳定性的非贵金属。过渡金属材料如Ni、Mo、Co等由于其储量丰富，具有良好的电化学活性，且在碱性和中性介质中稳定性高，被广泛用于贵金属催化剂的替代品[6]。

3D的Ni(OH)2在HER过程中可提供大的反应场所，且Ni(OH)2可以与羟基相互作用，从而加速水分解[7]。通过构建异质结构可以调节催化剂的电子结构，从而改善催化剂的吸/脱附过程，提高中间体吸附氢(H*)的转化，从而优化催化性能[8]。Zhang等利用界面电子重排来调节Ni(OH)2的电子结构，研究发现电子从Ni转移到异质结构Ni(OH)2/Ni界面，可以调控d能带中心能级位置，从而促进电子交换和中间体的转换过程[9]。这项研究使科研人员对异质结构Ni(OH)2/Ni的形成过程和催化过程的机理以及结构变化有了更深入的了解。但是，Ni(OH)2的电导率较低，严重阻碍了析氢反应(HER)过程中的电子传输。与导电性强的材料复合可进一步提高Ni(OH)2/Ni的电荷转移速率，从而提高催化活性。还原氧化石墨烯(rGO)由于具有较大的表面积、优越的电导率及良好的稳定性被广泛应用于电催化领域[10]。此外，在碳基体中引入电负性较高的N原子，可以诱导邻近C原子的电荷密度分布，使其成为额外的催化活性位点，从而提高电催化活性[11]。

综上所述，我们采用两步水热法，先在脱合金制备得到的纳米多孔Ni上生长Ni(OH)2，制备出3D花状Ni(OH)2/Ni。随后以水合肼为N源和还原剂，将Ni(OH)2/Ni与N掺杂rGO薄膜复合得到3D结构的Ni(OH)2/Ni@NG催化材料。3D的微观结构及N的掺杂使其暴露出丰富的活性位点，同时Ni(OH)2/Ni@NG的协同作用提高了活性位点的电催化性能。基于上述原因，该催化剂在1 mol·L-1KOH溶液中展现出良好的析氢催化性能及稳定性。

1 实验部分

1.1 样品制备

Ni(OH)2/Ni@NG复合材料的制备过程如图1所示。首先，按Ni30Al70的原子比称量Ni和Al，使用水冷铜坩埚悬浮熔炼炉进行熔炼得到前驱体合金Ni30Al70，随后在氩气保护下甩带，得到宽2～5 mm的Ni30Al70合金条带。使用25%的KOH溶液，在65℃恒温水浴锅中脱合金32 h，后续用蒸馏水和无水乙醇洗涤数遍，在60℃下干燥12 h制得纳米多孔Ni(np-Ni)粉末。

图1 Ni(OH)2/Ni@NG的合成示意图及催化机理图Fig.1 Illustration of the preparation process and catalytic mechanism of Ni(OH)2/Ni@NG

称取 0.60 g尿素(CO(NH2)2)、0.15 g氟化铵(NH4F)、0.53 g六水合硫酸镍(NiSO4·6H2O)，置于 35 mL蒸馏水中超声15 min，随后与80 mg的np-Ni一起放入反应釜中，在120℃条件下水热反应6 h。后续进行清洗、干燥得到3D花状的Ni(OH)2/Ni。取2 mL的氧化石墨烯(GO，5 mg·mL-1)溶液、0.1 mL水合肼(N2H4)置于35 mL蒸馏水中超声1 h，然后加入50 mg Ni(OH)2/Ni在160℃条件下水热反应12 h，制得Ni(OH)2/Ni@NG。为了探究N2H4对析氢性能的影响，在上述条件不变的情况下不加N2H4制得Ni(OH)2/Ni@GO。

将 1 cm×1 cm 的泡沫镍(NF)分别经 3 mol·L-1HCl、丙酮、无水乙醇超声处理30 min。10 mg催化剂研磨后与500 μL蒸馏水、500 μL无水乙醇、250 μL异丙醇和30 μL nafion(5%)溶液混合，超声1 h得到催化剂分散液。取200 μL分散液滴到预处理的NF上，室温干燥12 h制得催化电极。

1.2 表征与测试

采用D8 Advance型X射线衍射仪(XRD)分析材料的物相组成，辐射源为CuKα，λ=0.154 nm，I=40 mA，U=40 kV，2θ=10°～100°，扫描速率为5(°)·min-1；采用Thermo Scientific K-Alpha+型X射线光电子能谱仪(XPS)测试样品的元素组成及化学状态，辐射源为AlKα，I=15 mA，U=15 kV；通过JSM-6700F型冷场发射扫描电子显微镜(SEM，工作电压为5.0 kV)和JEM-2010型透射电子显微镜(TEM，工作电压为200 kV)分析样品的形貌结构及晶体学信息；通过LabRAM HR Evolution型高分辨拉曼光谱仪(Raman)分析样品的结构，扫描范围为1 000～2 000 cm-1。

电化学测试采用标准三电极体系在CHI660E电化学工作站上进行。对电极为石墨棒，参比电极为Hg/HgO，电解液为1 mol·L-1KOH溶液。以5 mV·s-1的扫描速率测试电极的线性扫描伏安曲线，并且利用公式ERHE=EHg/HgO+0.059 1pH+0.098 V，将电位换算为相对可逆氢电位(RHE)；在0.125～0.225 V(vs RHE)电位区间测试了不同扫速下(20、40、60、80和100 mV·s-1)下的循环伏安(CV)曲线；在100 mV偏压下测试了电极在1×10-2～1×105Hz范围内的交流阻抗谱(EIS)。

2 结果与讨论

2.1 结构与形貌表征

通过XRD分析样品的晶体结构与物相组成。图2a为Ni30Al70合金条带的XRD图，由图可知，Ni30Al70由 Ni2Al3(PDF No.03-1052)和 NiAl3(PDF No.02-0416)两相组成。Ni30Al70脱合金后得到np-Ni(图2b)，由单一的Ni(PDF No.04-0850)相组成，其中未检测到Al的物相，说明合金条带中的Al基本被完全溶解。通过在np-Ni上水热生长Ni(OH)2所制备的Ni(OH)2/Ni由 Ni(PDF No.04-0850)相 和 Ni(OH)2·0.75H2O(PDF No.38-0715)相组成，2θ在11.4°、22.8°、34.5°、38.7°、60.5°处分别对应Ni(OH)2·0.75H2O相的(003)、(006)、(012)、(015)、(110)晶 面 ，2θ在 44.5°、51.8°、76.3°、92.5°、98.5°处分别对应 Ni相的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面。对比 Ni(OH)2/Ni@GO与Ni(OH)2/Ni@NG的XRD图，其衍射峰并未因rGO的加入而发生变化，且N的掺杂对Ni(OH)2/Ni基底相也并无影响。在基底和复合样品中均未出现其它杂峰，表明样品的结晶度较高。其中，在XRD图中未检测出rGO，原因是Ni(OH)2相的干扰导致rGO的漫散峰不明显。

图2 (a)Ni30Al70及(b)np-Ni、Ni(OH)2/Ni、Ni(OH)2/Ni@GO和Ni(OH)2/Ni@NG的XRD图Fig.2 XRD patterns of(a)Ni30Al70and(b)np-Ni,Ni(OH)2/Ni,Ni(OH)2/Ni@GO,and Ni(OH)2/Ni@NG

采用SEM分析样品的表面形貌。如图3a所示，脱合金后的np-Ni显示出双连续的多孔骨架结构，骨架尺寸约为500 nm，在骨架上分布着小尺寸孔洞(图3b)。经第一步水热合成了由纳米薄片所组成的直径约5 μm的花状Ni(OH)2/Ni异质结构，如图3c所示。在水热反应的高温高压下，NiSO4·6H2O释放出SO42-与溶液中的H+结合形成H2SO4，进而将np-Ni中的部分Ni分离出来形成Ni2+，随后和NiSO4·6H2O中的Ni2+一同与OH-反应生成Ni(OH)2，其中np-Ni提供了大的反应场所，而多孔结构有利于离子的传输[12-13]。后续以Ni(OH)2/Ni为基底进行二次水热制得Ni(OH)2/Ni@NG，如图3g和3h所示，褶皱的rGO在基底表面复合生长，增强了电子和离子的扩散速率[14]。其中未掺杂N的Ni(OH)2/Ni@GO表面形貌与Ni(OH)2/Ni@NG相似。图3i为Ni(OH)2/Ni@NG各元素映射图，由图可知rGO均匀分布在基底Ni(OH)2/Ni表面，并且N元素成功掺杂到样品中。

图3 np-Ni(a、b)、Ni(OH)2/Ni(c、d)、Ni(OH)2/Ni@GO(e、f)和Ni(OH)2/Ni@NG(g、h)的SEM图;(i)Ni(OH)2/Ni@NG的SEM-mapping图Fig.3 SEM images of np-Ni(a,b),Ni(OH)2/Ni(c,d),Ni(OH)2/Ni@GO(e,f),and Ni(OH)2/Ni@NG(g,h);(i)SEM-mapping of Ni(OH)2/Ni@NG

通过TEM和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)进一步验证了Ni(OH)2/Ni@NG的显微结构。如图4a所示，基底Ni(OH)2/Ni纳米薄片厚度小于20 nm，其表面包覆着半透明的rGO薄膜。HRTEM图显示(图4b)，0.392 nm晶格条纹间距对应Ni(OH)2的(006)晶面，0.206 nm晶格条纹间距对应Ni的(111)晶面，这与XRD结果相一致。

图4 Ni(OH)2/Ni@NG的TEM(a)与HRTEM(b)图Fig.4 TEM(a)and HRTEM(b)images of Ni(OH)2/Ni@NG

图5a为Ni(OH)2/Ni@NG和Ni(OH)2/Ni@GO的Raman谱图。由图可知，Ni(OH)2/Ni@NG在1 349和1 584 cm-1处有2个明显的位移峰，这分别对应石墨烯标准的D峰(1 350 cm-1)和G峰(1 580 cm-1)，证明rGO在Ni(OH)2/Ni表面的成功生长[15]。其中，D峰对应C原子的无序程度与缺陷，G峰是由于sp2碳键的拉伸振动引起的，D峰与G峰强度比(ID/IG)可用于评估石墨烯中的缺陷程度[16]。Ni(OH)2/Ni@NG的ID/IG=1.22，高于Ni(OH)2/Ni@GO的ID/IG(1.16)，说明N成功掺杂，使得rGO的缺陷增加。

图5 (a)Ni(OH)2/Ni@NG和Ni(OH)2/Ni@GO的Raman谱图;(b)Ni(OH)2/Ni@NG的XPS总谱图和(c)Ni2p、(d)C1s、(e)N1s和(f)O1s高分辨XPS谱图Fig.5 (a)Raman spectra of Ni(OH)2/Ni@NG and Ni(OH)2/Ni@GO;XPS survey spectrum(b),high-resolution XPS spectra of(c)Ni2p,(d)C1s,(e)N1s,and(f)O1s for Ni(OH)2/Ni@NG

使用XPS研究了Ni(OH)2/Ni@NG复合材料的元素组成及价态分布。如图5b所示，C1s、N1s、O1s和Ni2p对应的峰值分别为284.1、398.1、531.1和856.1 eV，这证明Ni(OH)2/Ni@NG复合材料被成功合成。Ni2p高分辨谱图中(图5c)，有2个明显的特征峰873.3和855.7 eV，分别对应Ni2+的Ni2p1/2和Ni2p3/2轨道，其结合能差值为17.6 eV，这符合Ni(OH)2的特征[17]。结合能为875.3和857.7 eV的特征峰对应Ni3+的2p1/2和2p3/2自旋轨道。851.8 eV处的特征峰为单质Ni，879.5和861.6 eV处的特征峰对应2个卫星峰。图5d为C1s高分辨谱图，其包括3种不同的功能碳，分别是O—C=O(288.3 eV)、C=O/C—N(285.5 eV)和C=C(284.2 eV)。其中，非含氧基C=C键含量最高，表明GO在水热过程中成功转化为rGO，C—N键的存在表明N成功掺入到碳骨架中，且含有C—N基团的碳材料具有良好的电荷迁移能力，从而具有较高的催化活性[18]。图5e为N1s的高分辨谱图，进一步证明了N原子的有效掺入。3个特征峰包括397.6 eV处的吡啶氮、398.9 eV处的吡咯氮、400.7 eV处的石墨氮。吡啶氮的引入可以促进催化反应，提高电催化剂的耐久性[19]。石墨氮的存在提高了电子转移速率，从而改善了rGO的电导率[20]。图5f为O1s的高分辨谱图，其中，533.1 eV处的峰为C—OH/C—O—C基团，531.5 eV处的峰为C=O/Ni—OH基团，530.6 eV处的峰为C—O—Ni基团。C—O—Ni键的形成表明Ni(OH)2/Ni与石墨烯之间形成了化学键。在水热反应过程中，Ni(OH)2/Ni带正电荷，与带负电荷的rGO通过静电相互作用而耦合，强的相互作用使得界面产生了稳定的偶极层，电子从Ni向rGO移动，从而使得rGO具有更强的还原能力[21-22]。Ni(OH)2/Ni与N掺杂rGO之间的协同作用保证了接触界面具有高的催化活性，从而进一步提高了电极催化性能。

2.2 电极的HER性能

以1 mol·L-1的KOH为电解液，在三电极体系中研究了Ni(OH)2/Ni@NG催化剂的HER性能。在相同条件下，分别测试了NF、np-Ni、Ni(OH)2/Ni、Pt/C的极化曲线。由图6a可知，除Pt/C催化剂外，Ni(OH)2/Ni@NG具有最佳的HER催化性能。对比10 mA·cm-2电流密度下的过电位(图6b)，np-Ni(203 mV)的催化活性最低，主要受限于过渡金属Ni较低的本征活性。Ni(OH)2/Ni的过电位低于前者(168 mV)，得益于Ni(OH)2的3D结构为HER提供了更多的活性位点以及Ni(OH)2与np-Ni形成异质结构。Ni(OH)2/Ni@NG的过电位最低(108 mV)，这得益于N掺杂rGO的高导电性及3D Ni(OH)2/Ni异质结构的协同效应。Tafel斜率反映了HER动力学性能，如图6c所示。其中，Ni(OH)2/Ni的 Tafel斜率为 130.1 mV·dec-1，低于 np-Ni的 Tafel斜率 (140.5 mV·dec-1)，原因是Ni(OH)2与np-Ni形成异质结构，促进了电子交换与中间体的转换过程[23]。未掺杂N的Ni(OH)2/Ni@GO电极过电位(180 mV)与Tafel斜率均高于Ni(OH)2/Ni，主要是由于GO表面具有大量的含氧官能团，从而导致GO的导电性差且电化学活性低，覆盖到Ni(OH)2/Ni表面后使得界面处活性位点包埋，并且阻碍了电子/离子的传输，进而降低了过电位[24]。将N掺杂rGO包覆在Ni(OH)2/Ni上可有效改善其导电性，使得Ni(OH)2/Ni@NG具有低的Tafel斜率(114.9 mV·dec-1)。在碱性电解质中，HER主要经历以下几步：

图6 电极(a)在5 mV·s-1扫速下的极化曲线、(b)10 mA·cm-2电流密度下的过电位、(c)Tafel曲线和(d)双电层电容Fig.6 (a)Polarization curves at a scan rate of 5 mV·s-1,(b)overpotentials required at 10 mA·cm-2,(c)Tafel plots,and(d)double-layer capacitances of electrodes

其中，M为催化剂的活性位点。根据Tafel斜率可知，Ni(OH)2/Ni@NG的HER符合Volmer-Heyrovsky机理[25]。在Volmer步骤中，H2O吸附在催化剂表面，然后消耗1个电子分解成H*和OH-，随后M-H*与H2O反应得到氢气(Heyrovsky步骤)。3D Ni(OH)2/Ni@NG中吡啶氮的存在以及rGO与Ni(OH)2/Ni界面上的协同作用共同促进了H2O解离形成中间体H*，进而提高了电极的HER催化性能[26]。

电化学活性比表面积(ECSA)反映了催化剂实际参与反应的面积，与电极的双电层电容值(Cdl)成正比。通过在非法拉第区间测试电极在不同扫速下的CV曲线，计算出各个电极的Cdl如图6d所示。其中，Ni(OH)2/Ni@GO的Cdl(11.9 mF·cm-2)小于Ni(OH)2/Ni(16.8 mF·cm-2)，进一步证明导电性及催化活性较低的GO薄膜包覆在基底上，在催化过程中阻碍了电子/离子的传输，反而使得催化活性面积下降。Ni(OH)2/Ni@NG具有最大的Cdl(32.2 mF·cm-2)，一方面是因为由纳米片所组成的花状Ni(OH)2结构具有大的比表面积；另一方面是由于N掺杂使得rGO的活性增加，为HER反应提供反应场所。这使得Ni(OH)2/Ni@NG具有最大的ECSA，进而促进了该催化剂的电催化析氢性能。

为了进一步研究催化剂的动力学过程，在100 mV偏压下测试了电极的EIS，拟合得到Nyquist图(图7)，插图为相应的等效电路图。由图可知，Ni(OH)2/Ni@NG的容抗弧半径最小，说明其电阻最小。表1为相应的拟合参数，其中Rs代表溶液电阻，Rct代表电荷转移电阻，CPE为常相角元件。由表可知，各个电极的Rs基本保持不变，Ni(OH)2/Ni@NG的Rct最小，说明其具有最佳的电子迁移率及析氢动力学性能。

图7 电极的Nyquist图Fig.7 Nyqusit polts of electrodes

表1 各电极等效电路图中的拟合参数Table 1 Fitted parameters of the equivalent circuit for various electrodes

通过1 000圈CV循环以及计时电位曲线共同评估了Ni(OH)2/Ni@NG的稳定性。图8a为其在法拉第区间CV循环1 000圈前后的阴极极化曲线，循环后电极在10 mA·cm-2电流密度下电位仅衰减5 mV。由图8b可知，电极在10 mA·cm-2电流密度下，经12 h的连续电解，电位下降16 mV。2种测试结果均显示Ni(OH)2/Ni@NG具有良好的稳定性。这得益于N掺杂rGO薄膜具有强的耐腐蚀性及与Ni(OH)2/Ni的强耦合作用。

图8 Ni(OH)2/Ni@NG电极(a)CV循环1 000圈前后的极化曲线和(b)计时电位曲线Fig.8 (a)Polarization curves before and after 1 000 cycles CV and(b)chronopotential curves of Ni(OH)2/Ni@NG electrode

3 结 论

通过两步水热法成功制备出3D花状结构的Ni(OH)2/Ni@NG电极材料。在HER测试中表现出良好的催化性能，10 mA·cm-2电流密度下的过电位为108 mV，比未掺杂N的Ni(OH)2/Ni@GO过电位低72 mV，这得益于Ni(OH)2/Ni的3D结构以及N掺杂石墨烯暴露的大量活性位点，同时基底与石墨烯的协同效应提高了活性位点的催化效率和电荷转移速率，进而改善了电催化HER性能。并且Ni(OH)2/Ni与石墨烯之间强耦合作用使Ni(OH)2/Ni@NG电极在经CV循环1 000圈和12 h恒电流电解下均表现出良好的稳定性。