李英杰 王 鑫 周昱成

(江蘇大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的必要資源之一，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人類對(duì)能源的需求越來(lái)越大?，F(xiàn)階段，不可再生的化石能源燃料仍然是全球能源供應(yīng)的主要部分[1]。然而化石能源的過(guò)度開(kāi)采和快速消耗使得二氧化碳排放量不斷升高，氣候變暖、海平面升高等環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重。為解決能源短缺及氣候變暖問(wèn)題，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)在2018年提出了“碳中和”的目標(biāo)，我國(guó)則力爭(zhēng)在2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是當(dāng)前的重大問(wèn)題。構(gòu)建低碳綠色的能源體系是實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)的重要舉措。在此背景下，開(kāi)發(fā)高效、可持續(xù)的綠色代替能源成為人們共同努力的方向。

氫能作為一種清潔、綠色的能源因其大的能量密度、燃燒產(chǎn)物只有水而沒(méi)有CO2排放、便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢(shì)而受到青睞[2-4]。近年來(lái)，產(chǎn)氫技術(shù)主要有天然氣重整[5]、煤炭氣化[6]、光/電解水等[7-8]。其中電解水的操作簡(jiǎn)單、裝置簡(jiǎn)易、過(guò)程中副反應(yīng)少、綠色經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)使其成為目前制氫最有前景的方式之一。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，電解水反應(yīng)需要跨越很高的反應(yīng)能壘，耗費(fèi)大量的能量。為了降低反應(yīng)能耗，多采用催化劑來(lái)降低催化反應(yīng)能壘。目前常用的商業(yè)析氫和析氧催化劑分別是Pt/C 和RuO2催化劑[9-10]。但是它們均因高成本、資源有限以及穩(wěn)定性較差等問(wèn)題阻礙了其進(jìn)一步的工業(yè)應(yīng)用。因此開(kāi)發(fā)高活性、低貴金屬含量和穩(wěn)定的催化劑對(duì)于促進(jìn)氫能的大規(guī)?？沙掷m(xù)利用和能量轉(zhuǎn)換具有重要意義。

水滑石(LDH)因其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，近幾年來(lái)在電催化等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[11-12]，尤其是NiFe LDH 材料，被認(rèn)為是一種優(yōu)異的堿性析氧催化劑，在電催化析氧反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的催化活性[13-14]。但是NiFe LDH 材料因其較弱的氫吸附能力，表現(xiàn)出較差的本征析氫活性[15]。為了提高NiFe LDH 的電催化活性，科研工作者做了大量的工作，如通過(guò)雜原子摻雜[16-18]、缺陷工程[19]、構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)構(gòu)[20-22]等策略來(lái)提高其析氫、析氧活性。其中雜原子摻雜方法一般通過(guò)共沉積的過(guò)程將雜原子引入到LDH 層板中。通過(guò)調(diào)控附近原子的電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化析氫、析氧中間體的吸附能，從而提高催化活性。然而，通過(guò)共沉積的方法引入雜原子通常需要的雜離子溶液量較大，尤其是對(duì)于貴金屬。體相中過(guò)多的貴金屬會(huì)造成浪費(fèi)，因此，如何有效引入貴金屬，降低貴金屬負(fù)載量的同時(shí)提高NiFe LDH 析氫、析氧性能，對(duì)于電解水制氫具有重要意義。

因此，在本工作中，先在泡沫鎳基底上制備NiFe LDH 納米片陣列，隨后通過(guò)簡(jiǎn)單的浸漬法將Ru負(fù)載到LDH 納米片表面，制備的Ru/NiFe LDH 表現(xiàn)出優(yōu)異的析氫和析氧活性。在堿性條件下，催化析氫反應(yīng)時(shí)僅需50 mV 的過(guò)電位即可達(dá)到10 mA·cm-2的電流密度，Tafel 斜率為52.3 mV·dec-1。而相同條件下原始NiFe LDH 達(dá)到10 mA·cm-2的電流密度則需要226 mV 的過(guò)電位，Tafel 斜率為157.5 mV·dec-1。同時(shí)Ru/NiFe LDH 也展現(xiàn)出了良好的析氧催化活性，在50 mA·cm-2的電流密度下，過(guò)電位僅為231 mV，而NiFe LDH 則需237 mV。Ru/NiFe LDH在長(zhǎng)時(shí)間的電催化條件下依然能保持良好的工作穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試 劑

六水合硝酸鎳(Ni(NO3)2·6H2O)、九水合硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)、尿素(CH4N2O)、無(wú)水乙醇(C2H5OH)均購(gòu)買(mǎi)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氯化釕(RuCl3·nH2O)購(gòu)買(mǎi)自上海麥克林生化科技股份有限公司。以上試劑均為分析純，使用之前均不需進(jìn)一步純化。

1.2 材料合成

1.2.1 NiFe LDH的制備

NiFe LDH 通過(guò)一步水熱法合成。主要步驟如下：首先將0.5 mmol Ni(NO3)2·6H2O、0.5 mmol Fe(NO3)3·9H2O 和10 mmol 尿素溶解在35 mL 去離子水中，攪拌形成澄清的溶液。然后將澄清溶液加入到50 mL 水熱反應(yīng)釜內(nèi)膽中。將泡沫鎳剪切成2.5 cm×3 cm 大小，用6 mol·L-1鹽酸溶液(6 mol·L-1)、去離子水和乙醇先后分別超聲清洗5 min，去除泡沫鎳表面的氧化層、有機(jī)物等雜質(zhì)。將處理過(guò)后的泡沫鎳放入上述溶液中。密封反應(yīng)釜后，將其轉(zhuǎn)移至烘箱，120 ℃下反應(yīng)10 h 后取出，在室溫下自然冷卻。取出泡沫鎳，用去離子洗滌3 次，在60 ℃烘箱中烘干6 h后取出備用。

1.2.2 Ru/NiFe LDH的制備

取50 μL 濃度為100 mg·mL-1的RuCl3·nH2O 溶液，加入10 mL去離子水中得到0.5 mg·mL-1的RuCl3溶液。將上述制備的NiFe LDH 納米片陣列置于配制好的RuCl3溶液中，靜置18 h 后取出，用去離子水清洗后，在60 ℃烘箱中烘干6 h后取出備用。

1.2.3 商用Pt/C和RuO2電極的制備

取5 mg Pt/C 和RuO2分別分散到含有50 μL 的5%Nafion 的無(wú)水乙醇溶液(1 mL)中，超聲振蕩約1 h得到催化劑的分散漿液。然后在紅外燈下，各取200 μL 分散液均勻滴在1 cm×1 cm 大小的泡沫鎳上，烘干得到催化劑載量為1 mg·cm-2的商業(yè)工作電極。

1.3 材料表征

1.3.1 催化劑的形貌和結(jié)構(gòu)表征

樣品物相采用日本島津XRD-6000 型X 射線衍射儀(XRD，儀器誤差是0.02°，CuKα輻射(λ=0.154 06 nm)，管電壓為40 kV，管電流為30 mA，掃描速度為5(°)·min-1，掃描范圍為5°～80°)分析；催化劑的形貌和能譜(EDS)用Hitachi S-4800 型掃描電鏡(SEM，20 kV)、HITACHI H-7700 型透射電鏡(TEM，100 kV)和掃描X 射線能譜儀(EDS)分析。高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)照片在JEM ARM200F TEM 上獲得，加速電壓為200 kV。采用VG Multi Lab 2000系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行X射線光電子能譜(XPS)測(cè)試。樣品的元素含量用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES，Agilent 5110)分析。

1.3.2 電化學(xué)性能測(cè)試

電化學(xué)性能測(cè)試是通過(guò)三電極體系在CHI760E電化學(xué)工作站上進(jìn)行的，將制備的材料剪切成1 cm×1 cm 大小作為工作電極，參比電極選擇飽和甘汞電極(SCE)，對(duì)電極選擇石墨電極，電解液為新配制的1 mol·L-1KOH 溶液。測(cè)試時(shí)首先以0.1 V·s-1的掃速進(jìn)行20 圈的循環(huán)伏安(CV)測(cè)試用以活化工作電極。采用線性掃描伏安法(LSV)測(cè)定材料的析氫和析氧催化活性，得到對(duì)應(yīng)的極化曲線。極化曲線均經(jīng)過(guò)交流阻抗譜進(jìn)行溶液電阻矯正(IRcorrection)。電化學(xué)阻抗譜(EIS)從同樣的測(cè)試環(huán)境中得到，測(cè)試頻率為0.1 Hz～100 kHz，交流電壓的振幅為5 mV。通過(guò)雙電層電容法在一定的電壓窗口下進(jìn)行不同掃速的CV 測(cè)試，再經(jīng)過(guò)計(jì)算得到材料的電化學(xué)活性比表面積(ECSA)，具體如下：在電勢(shì)窗口0.1～0.15 V(vs SCE)下以10～60 mV·s-1掃速進(jìn)行CV 測(cè)試；擬合0.125 V(vs SCE)電位下的電流和掃速的斜率得到材料的雙電層電容值(Cdl)，ECSA 與Cdl成正比[23]。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ru/NiFe LDH的形貌表征

通過(guò)兩步法構(gòu)建直接生長(zhǎng)于泡沫鎳上的NiFe LDH 負(fù)載Ru 的納米片。首先，通過(guò)經(jīng)典的水熱法將鎳和鐵共沉積，制備NiFe LDH，隨后借助浸漬法將Ru 負(fù)載到NiFe LDH 上，如圖1 所示。通過(guò)SEM圖可以觀察到，由水熱法合成的Ru/NiFe LDH 呈現(xiàn)出納米片陣列結(jié)構(gòu)，Ru/NiFe LDH 垂直生長(zhǎng)于泡沫鎳基底上。納米片的厚度為60～70 nm，大小為300～400 nm，如圖2a 和2b 所示。TEM 圖也進(jìn)一步證實(shí)了Ru/NiFe LDH 的納米片結(jié)構(gòu)(圖2c)。通過(guò)HAADF-STEM 表征證實(shí)了NiFe LDH 納米片上分散著Ru，其中橘色圓圈標(biāo)記的亮點(diǎn)即為Ru(圖2d)。在TEM 圖中沒(méi)有觀察到明顯的顆粒，而在HAADFSTEM 圖中可以看到一些以單個(gè)和團(tuán)簇形式存在的亮點(diǎn)，表明負(fù)載在NiFe LDH 表面的Ru 多以團(tuán)簇和單原子的形式存在[15,17,24]。另外，進(jìn)一步的SEM-EDS元素分布分析可以發(fā)現(xiàn)，Ni、Fe、Ru三種元素均勻地分散在納米片陣列結(jié)構(gòu)中(圖2e)，說(shuō)明Ru 元素成功地負(fù)載到了NiFe LDH納米片上。

圖1 Ru/NiFe LDH的合成過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic illustration of the synthesis process of Ru/NiFe LDH

圖2 Ru/NiFe LDH納米片陣列的形貌表征Fig.2 Morphology characterization of Ru/NiFe LDH nanosheet arrays

2.2 Ru/NiFe LDH的結(jié)構(gòu)表征

為了表征Ru/NiFe LDH 的結(jié)構(gòu)，我們進(jìn)行了XRD 測(cè)試，如圖3 所示，圖中44.5°、51.8°和76.4°分別對(duì)應(yīng)金屬鎳的(111)、(200)、(220)晶面(PDF No.04-0850)，來(lái)自于基底泡沫鎳。對(duì)于NiFe LDH 樣品，11.5°、23.3°和34.5°處的特征峰分別歸屬于NiFe LDH 的(003)、(006)和(012)晶面(PDF No.40-0215)，說(shuō)明通過(guò)水熱法制備的NiFe LDH 樣品為單一相LDH。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Ru/NiFe LDH 的XRD 圖中沒(méi)有出現(xiàn)額外的衍射峰，說(shuō)明Ru引入后并未改變載體LDH的納米片結(jié)構(gòu)。

圖3 NiFe LDH和Ru/NiFe LDH的XRD圖Fig.3 XRD patterns of NiFe LDH and Ru/NiFe LDH

為了進(jìn)一步表征Ru/NiFe LDH 的元素組成和價(jià)態(tài)，我們進(jìn)行了XPS 測(cè)試，如圖4 所示。在Ru3p譜圖中(圖4a)，Ru3p3/2和Ru3p1/2的特征峰分別位于463.6 和485.9 eV，歸屬于Ru3+[25]，說(shuō)明負(fù)載在NiFe LDH 納米片上的Ru 以+3 價(jià)存在。Ni2p譜圖中的2個(gè)主峰主要位于855.8 和873.5 eV，分別對(duì)應(yīng)Ni2+2p3/2和Ni2+2p1/2，說(shuō)明NiFe LDH 主要以+2 價(jià)存在[26]，伴隨的位于861.4 和879.4 eV 的2 個(gè)峰對(duì)應(yīng)Ni的衛(wèi)星峰，如圖4b 所示。另外，在Fe2p譜圖中2 個(gè)典型的峰位于712.4 和724.9 eV，分屬于Fe3+2p3/2和Fe3+2p1/2[27](圖4c)。值得注意的是，對(duì)比NiFe LDH，Ru/NiFe LDH 的Ni2p和Fe2p區(qū)域分別有0.6 和0.5 eV 的負(fù)移，說(shuō)明Ru 負(fù)載后樣品中存在Ru 和NiFe LDH 之間的電子耦合效應(yīng)。在NiFe LDH 的O1s譜圖中存在3 個(gè)主要的峰，分別位于530.9、531.8 和533.1 eV[28]，分屬于金屬—氧鍵(M—O)、低配位氧缺陷和氫氧根或吸附水(圖4d)。相較于NiFe LDH，Ru/NiFe LDH 的O1s的峰有一個(gè)0.4 eV 的負(fù)移，說(shuō)明Ru通過(guò)氧配位引入NiFe LDH 中并調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)[28]。通過(guò)XPS測(cè)定催化劑表面Ni和Fe的原子比為2.46∶1，通過(guò)ICP-OES 測(cè)定催化劑中Fe 和Ru 的原子比為1∶0.13，可知Ni、Fe、Ru 的原子比約為2.46∶1∶0.13，其中Ru的負(fù)載量為6.05%。

圖4 NiFe LDH和Ru/NiFe LDH的XPS譜圖Fig.4 XPS spectra of NiFe LDH and Ru/NiFe LDH

2.3 Ru/NiFe LDH的析氫性能

為探究所制備材料的析氫性能，采用傳統(tǒng)的三電極體系測(cè)試。以制備的材料作為工作電極，參比電極和對(duì)電極分別選用飽和甘汞電極和石墨電極，電解液為1 mol·L-1KOH 溶液。電化學(xué)極化曲線通過(guò)線性掃描方法得到，所得數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)EIS 阻抗矯正，結(jié)果如圖5a 所示。泡沫鎳與NiFe LDH 電極分別需要250 和226 mV 的過(guò)電位驅(qū)動(dòng)10 mA·cm-2的電流密度，表現(xiàn)出較差的析氫催化活性。Ru/NiFe LDH 電極則表現(xiàn)出優(yōu)異的析氫催化活性，僅需50 mV 過(guò)電位即可驅(qū)動(dòng)10 mA·cm-2的電流密度，幾乎可以與商用20%Pt/C 電極(30 mV)催化活性相媲美。Tafel 斜率是評(píng)估材料電催化析氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù)。我們分別對(duì)比了NiFe LDH、Ru/NiFe LDH以及商用Pt/C 的Tafel 斜率。從圖5b 中可以看到，Pt/C、Ru/NiFe LDH 和NiFe LDH 的Tafel 斜率分別是39.1、52.3 和157.5 mV·dec-1。相對(duì)NiFe LDH，Ru/NiFe LDH 展現(xiàn)出了較小的Tafel 斜率，說(shuō)明Ru 的引入顯著加快了NiFe LDH 催化過(guò)程中的電荷轉(zhuǎn)移速率，加快了析氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率。為了進(jìn)一步評(píng)估不同電極的析氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率，對(duì)其進(jìn)行EIS 測(cè)試，如圖5c所示。引入Ru前后，NiFe LDH 電極均表現(xiàn)出相似的溶液阻抗，但是在低頻區(qū)具有不同的電荷轉(zhuǎn)移阻抗，其中Ru/NiFe LDH 表現(xiàn)出更小的半圓，說(shuō)明Ru/NiFe LDH 表現(xiàn)出更快的電荷轉(zhuǎn)移速率。由此可見(jiàn)，Ru 的負(fù)載可以顯著提高NiFe LDH 的本征析氫活性，加快電荷傳遞速率，進(jìn)而提高析氫催化活性，而性能的提高也說(shuō)明了Ru 成功引入到了NiFe LDH層板上。

圖5 析氫性能：(a)5 mV·s-1時(shí)NiFe LDH、Ru/NiFe LDH、泡沫鎳和20%Pt/C電極的極化曲線;(b)NiFe LDH、Ru/NiFe LDH和20%Pt/C電極的Tafel斜率;(c)NiFe LDH、Ru/NiFe LDH、泡沫鎳和20%Pt/C電極的EIS(插圖為局部放大圖);(d)NiFe LDH和Ru/NiFe LDH電極的ECSA;(e)通過(guò)恒電流電位法測(cè)試Ru/NiFe LDH的析氫穩(wěn)定性;(f)Ru/NiFe LDH電極穩(wěn)定性測(cè)試前后的XRD圖Fig.5 Hydrogen evolution performance：(a)polarization curves of NiFe LDH,Ru/NiFe LDH,Ni foam,and 20%Pt/C at 5 mV·s-1;(b)Tafel slopes of NiFe LDH,Ru/NiFe LDH,and 20%Pt/C;(c)EIS of NiFe LDH,Ru/NiFe LDH,Ni foam,and 20%Pt/C(Inset：partial enlarged spectra);(d)ECSA of NiFe LDH and Ru/NiFe LDH;(e)chronoamperometry test for stability of Ru/NiFe LDH;(f)XRD patterns of Ru/NiFe LDH before and after stability test

隨后，為了進(jìn)一步探究材料的ECSA 與催化性能之間的關(guān)系，我們通過(guò)Cdl區(qū)域的CV 測(cè)試對(duì)Ru/NiFe LDH 和NiFe LDH 的ECSA 進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖5d 所示。相較于NiFe LDH(Cdl為1.49 mF·cm-2)，Ru 的引入顯著提高了Ru/NiFe LDH 的ECSA(4.22 mF·cm-2)，表明Ru 的負(fù)載使Ru/NiFe LDH 的ECSA增大，暴露的活性位點(diǎn)增加，電催化活性提升。

長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性也是衡量催化劑性能的一個(gè)重要指標(biāo)。我們采用計(jì)時(shí)電流法評(píng)估Ru/NiFe LDH 電極的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性，依然采用傳統(tǒng)的三電極體系，設(shè)置恒定電壓為-1.41 V(vs SCE)。10 h 的穩(wěn)定性測(cè)試(圖5e)表明Ru/NiFe LDH 電極顯示出良好的穩(wěn)定性。另外，對(duì)穩(wěn)定性測(cè)試后的樣品進(jìn)行了XRD和SEM表征，如圖5f和6a所示。通過(guò)對(duì)比穩(wěn)定性測(cè)試前后的XRD圖可知，Ru/NiFe LDH 在長(zhǎng)時(shí)間的析氫催化后，主要衍射峰與測(cè)試前基本相同(圖5f)。從圖6a 可以看出Ru/NiFe LDH 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的析氫催化過(guò)程后仍能保持其納米片結(jié)構(gòu)，這說(shuō)明原位生長(zhǎng)的納米陣列結(jié)構(gòu)有利于維持催化劑自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖6 Ru/NiFe LDH的(a)析氫和(b)析氧反應(yīng)穩(wěn)定性測(cè)試后的SEM圖Fig.6 SEM images of Ru/NiFe LDH after(a)hydrogen evolution and(b)oxygen evolution reaction stability tests

2.4 Ru/NiFe LDH的析氧性能測(cè)試

析氧性能測(cè)試采用與析氫性能測(cè)試相同的三電極體系。通過(guò)LSV、EIS和計(jì)時(shí)電流法對(duì)材料的析氧性能進(jìn)行分析，其中LSV 曲線已做溶液電阻校正。如圖7a 所示，從極化曲線可以看出Ru/NiFe LDH 電極催化50 mA·cm-2的電流密度僅需231 mV的過(guò)電位，略小于NiFe LDH 電極(237 mV)，顯著優(yōu)于泡沫鎳基底的304 mV。這表明貴金屬Ru 的引入可提升NiFe LDH 的析氧催化活性。在相同的條件下，RuO2需要336 mV 的過(guò)電位才能達(dá)到50 mA·cm-2的電流密度，這表明Ru/NiFe LDH 具有優(yōu)異的析氧催化活性，明顯高于RuO2催化劑。為了進(jìn)一步探究電極的動(dòng)力學(xué)速率，我們測(cè)試了不同電極的EIS，如圖7b 所示。在析氧反應(yīng)區(qū)域，Ru/NiFe LDH相比于NiFe LDH 電極表現(xiàn)出更小的圓半徑，代表具有更快的反應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移速率，說(shuō)明Ru的負(fù)載同樣可以加快NiFe LDH 的析氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。同時(shí)，我們總結(jié)了最近報(bào)道的Ru 負(fù)載過(guò)渡金屬基材料的析氫/析氧性能，并匯總在表1中。從表1中可以看出，Ru 負(fù)載量相對(duì)較低的Ru/NiFe LDH 可與大部分高載量貴金屬Ni/Co/Fe 過(guò)渡金屬基材料的催化活性相比擬。

表1 過(guò)渡金屬基材料負(fù)載Ru催化劑的析氫、析氧活性對(duì)比Table 1 Comparison of hydrogen evolution and oxygen evolution activities for Ru loaded transition-metal-based catalysts

圖7 析氧性能：(a)5 mV·s-1時(shí)NiFe LDH、Ru/NiFe LDH、RuO2和泡沫鎳電極的極化曲線及(b)相應(yīng)的EIS;(c)通過(guò)恒電流電位法測(cè)試Ru/NiFe LDH的穩(wěn)定性;(d)Ru/NiFe LDH穩(wěn)定性測(cè)試前后的XRD圖Fig.7 Oxygen evolution performance：(a)polarization curves at 5 mV·s-1 and(b)corresponding EIS of NiFe LDH,Ru/NiFe LDH,RuO2,and Ni foam(Inset：partial enlarged spectra);(c)chronoamperometry test for stability of Ru/NiFe LDH;(d)XRD patterns of Ru/NiFe LDH before and after stability test

采用計(jì)時(shí)電流法對(duì)Ru/NiFe LDH 電極進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的析氧催化穩(wěn)定性測(cè)試，電壓為0.62 V(vs SCE)。如圖7c 所示，經(jīng)過(guò)10 h 的穩(wěn)定性測(cè)試后，電流密度的降幅即催化活性的損失基本可以忽略不計(jì)。另外，對(duì)穩(wěn)定性測(cè)試后的樣品進(jìn)行XRD 和SEM 表征，如圖7d 和6b 所示。Ru/NiFe LDH 的XRD 圖與原始的Ru/NiFe LDH 的衍射峰基本相似(圖7d)，形貌基本未發(fā)生明顯變化(圖6b)，說(shuō)明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的析氧催化測(cè)試后，Ru/NiFe LDH 電極表現(xiàn)出良好的工作穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

通過(guò)傳統(tǒng)的水熱方法和簡(jiǎn)單的浸漬法在NiFe LDH 上負(fù)載Ru。結(jié)果表明Ru 的成功負(fù)載可增加NiFe LDH 的活性比表面積，暴露更多的活性位點(diǎn)，調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)，加快其析氫和析氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。對(duì)于析氫反應(yīng)，Ru/NiFe LDH 達(dá)到10 mA·cm-2的電流密度僅需要50 mV 的過(guò)電位，同時(shí)具有良好的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，Tafel 斜率為52.3 mV·dec-1。對(duì)于析氧反應(yīng)，達(dá)到50 mA·cm-2的電流密度僅需要231 mV的過(guò)電位。另外，該催化劑表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)時(shí)間的析氫、析氧工作穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)和催化活性均得到了較好的保持。該工作提供了一種構(gòu)建低價(jià)、高活性、高穩(wěn)定性雙功能催化劑用于能源轉(zhuǎn)化的新思路，拓寬了貴金屬負(fù)載的載體范疇。