高效一维豆荚状NiFe2O4-Ni x Fe1－x S异质结构电催化剂的制备及析氧反应性能

doi:10.7503/cjcu20250156

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (10): 20250156.doi: 10.7503/cjcu20250156

高效一维豆荚状NiFe₂O₄-Ni _x Fe_1－_x S异质结构电催化剂的制备及析氧反应性能

陈红¹, 张杭¹, 付思雨¹, 张鑫², 牟佳佳¹()

^1.北华大学理学院
^2.材料科学与工程学院，吉林 132013

收稿日期:2025-06-05 出版日期:2025-10-10 发布日期:2025-07-07
通讯作者: 牟佳佳 E-mail:allthat2010@126.com
基金资助:
国家自然科学基金(51602006);吉林省科技厅项目(YDZJ202401389ZYTS);吉林省科技厅项目(YDZJ202301ZYTS276);吉林省教育厅项目(JJKH20230056KJ);北华大学大学生创新训练项目(S202410201092)

Fabrication of Highly Efficient 1D Pod-like NiFe₂O₄-Ni _x Fe_1－_x S Heterogeneous Electrocatalysts for Enhanced Oxygen Evolution

CHEN Hong¹, ZHANG Hang¹, FU Siyu¹, ZHANG Xin², MU Jiajia¹()

^1.College of Science
^2.School of Materials Science and Engineering，Beihua University，Jilin 132013，China

Received:2025-06-05 Online:2025-10-10 Published:2025-07-07
Contact: MU Jiajia E-mail:allthat2010@126.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51602006);the Foundation of Science and Technology Department of Jilin Province, China(YDZJ202401389ZYTS);the Foundation of the Department of Education of Jilin Province, China(JJKH20230056KJ);the College Student Innovation Training Program of Beihua University, China(S202410201092)

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摘要/Abstract

摘要：

针对析氧反应（OER）催化剂活性低、反应速率差的问题，构建纳米异质结催化剂是提升析氧反应动力学性能的高效方法. 本文通过静电纺丝结合硫化煅烧两步法，设计并制备了一种一维豆荚状NiFe₂O₄-Ni _x Fe_1－_x S异质结构. 通过调控硫化温度（350~550 ℃），优化了NiFe₂O₄-Ni _x Fe_1－_x S的异质界面结构与组分协同效应. 结果显示，在450 ℃的硫化样品（NiFe₂O₄-Ni _x Fe_1－_x S-450）中， Ni _x Fe_1－_x S纳米片均匀负载于NiFe₂O₄纳米棒表面，形成稳定的异质界面，并伴随Fe²⁺/Fe³⁺， Ni²⁺/Ni³⁺多价态共存及氧空位富集. 电化学测试结果表明，该材料在 1 mol/L KOH中展现出优异的析氧性能：在10和50 mA/cm²电流密度下的过电位分别为344和396 mV， Tafel斜率低至40.7 mV/dec，同时电化学活性面积有所提升. 该材料性能提升的主要机制为：异质界面处的电子再分布促进了活性位点暴露，氧空位加速了电荷转移，而一维豆荚结构增强了传质效率与结构稳定性.

关键词: 析氧反应, 异质界面, 电荷转移, 一维豆荚结构

Abstract:

To address the challenges of insufficient activity and sluggish kinetics in oxygen evolution reaction（OER） catalysts， this study innovatively designed and synthesized a one-dimensional pod-like NiFe₂O₄-Ni _x Fe_1－_x S heterojunction material via a two-step method combining electrospinning and sulfurization calcination. By regulating the sulfurization temperature（350—550 ℃）， the interfacial heterostructure and component synergy were optimized. Characterization results revealed that the sample sulfurized at 450 ℃（NiFe₂O₄-Ni _x Fe_1－_x S-450） exhibited that Ni _x Fe_1－_x S nanosheets uniformly anchored on NiFe₂O₄ nanorods， forming a stable heterointerface with coexisting Fe²⁺/Fe³⁺ and Ni²⁺/Ni³⁺ multivalent states， along with enriched oxygen vacancies. Electrochemical tests demonstrated outstanding OER performance in 1 mol/L KOH， achieving low overpotentials of 344 and 396 mV at current densities of 10 and 50 mA/cm²， respectively， and a Tafel slope of 40.7 mV/dec. The Electronic redistribution at the heterointerface enhanced exposed active sites and oxygen vacancies accelerated charge transfer. The one-dimensional pod-like structure improved mass transport efficiency and structural stability. This work provides a new paradigm for the rational design of transition metal-based heterojunction catalysts through structure-performance synergy， offering valuable insights for advancing efficient water-splitting technologies.

Key words: Oxygen evolution reaction, Heterointerface, Charge transfer, One-dimensional pod-like structure

中图分类号:

O643.3

TrendMD:

陈红, 张杭, 付思雨, 张鑫, 牟佳佳. 高效一维豆荚状NiFe₂O₄-Ni _x Fe_1－_x S异质结构电催化剂的制备及析氧反应性能. 高等学校化学学报, 2025, 46(10): 20250156.

CHEN Hong, ZHANG Hang, FU Siyu, ZHANG Xin, MU Jiajia. Fabrication of Highly Efficient 1D Pod-like NiFe₂O₄-Ni _x Fe_1－_x S Heterogeneous Electrocatalysts for Enhanced Oxygen Evolution. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(10): 20250156.

图/表 6

Fig.1 SEM(A—C) and TEM images(D—F) of NiFe2O4⁃Ni x Fe1-x S⁃450Above inset of (F): the lattice spacing of NiFe2O4; below inset of (F): SAED.

Fig.2 STEM image(A), elemental mappings of Fe(B), Ni(C), S(D) and O(E) of NiFe2O4⁃Ni x Fe1-x S⁃450

Fig.3 XRD patterns of NiFe2O4⁃Ni x Fe1-x S

Fig.4 Survey(A), Fe2p (B), Ni2p (C), C1s (D), S2p (E) and O1s (F) XPS spectra of NiFe2O4⁃Ni x Fe1-x S⁃450

Fig.5 OER polarization curves(A), Tafel plots(B), double⁃layer capacitance(C) and electrochemically active surface area(D) of the samples, chronoamperometry measurement of NiFe₂O₄⁃Ni x Fe1-x S⁃450 for 100000 s(E)

Fig.6 Charge density difference of NiFeOS(A), PDOSs of NiFe2O4(B), NiFeOS(C) and NiFeS(D)

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高效一维豆荚状NiFe₂O₄-Ni _x Fe_1－_x S异质结构电催化剂的制备及析氧反应性能

Fabrication of Highly Efficient 1D Pod-like NiFe₂O₄-Ni _x Fe_1－_x S Heterogeneous Electrocatalysts for Enhanced Oxygen Evolution

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