北理工團隊在高價金屬位點與無定形/晶形界面異質(zhì)結(jié)催化劑協(xié)同催化水氧化取得最新研究成果
發(fā)布日期：2022-07-01 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：朱倩云 審核：唐水源 閱讀次數(shù)：
過渡金屬羥基氧化物（MOOH,，M="Fe,，Co,，Ni）通常是電催化OER的真正的活性位點，可以由各種不同的含氧材料的不可逆表面重構(gòu)獲得,。而低維層狀結(jié)構(gòu)MOOH具有結(jié)構(gòu)靈活性,，有利于進行活性調(diào)控。選擇氫氧化鈷納米片作為基礎(chǔ)材料,，并通過對其結(jié)構(gòu)和組成進行合理調(diào)控可以獲得高效的OER催化劑,，對于發(fā)展電解水制氫技術(shù)具有重要意義。
研究亮點：a. 在Co(OH)2中引入Fe獲得CoFe(OH)x,，F(xiàn)e的可以促進電化學(xué)重構(gòu)過程中Co(II)不可逆轉(zhuǎn)化為Co(III),，有利于高價金屬位點的構(gòu)建。b. 所得CoFeOOH納米片結(jié)構(gòu)中存在非晶形/晶形結(jié)構(gòu)異質(zhì)界面,，豐富的異質(zhì)界面的存在可以為催化反應(yīng)暴露更多可及的活性位點,，促進催化活性的發(fā)揮。c. 三維鎳泡沫骨架上構(gòu)筑納米片結(jié)構(gòu)催化劑有利于暴露更多活性位點,，交互的納米片結(jié)構(gòu)之間的開放結(jié)構(gòu)還有利于電催化OER傳質(zhì)的發(fā)生,。
圖1 電沉積和電化學(xué)重構(gòu)制備CoFeOOHNS/NF示意圖。
作者采用電沉積和電化學(xué)重構(gòu)的方法在三維鎳泡沫骨架上構(gòu)建了高價金屬位點和非晶形/晶形異質(zhì)界面復(fù)合催化劑CoFeOOH,，該交互相連的納米片結(jié)構(gòu)為催化過程提供了大的比表面積和豐富的活性位點,，納米片間開放孔結(jié)構(gòu)為電催化傳質(zhì)過程及活性位點的可及性提供了便利條件（圖1-2）。
圖2. 催化劑形貌結(jié)構(gòu)表征,。
通過表征可以發(fā)現(xiàn),，經(jīng)過電化學(xué)重構(gòu)之后預(yù)催化劑的納米片結(jié)構(gòu)得到了較好的保持，同時納米片結(jié)構(gòu)中存在豐富的非晶形/晶形異質(zhì)界面,，以及高價金屬位點CoOOH和FeOOH,，其中元素分布均勻。
圖3. 催化劑成分表征,。
通過XPS表征證明了高價金屬位點的形成,，而其中金屬元素的結(jié)合能的位移證明了金屬位點之間存在相互作用，該作用有利于促進OER過程,。
圖4. 電化學(xué)性能評價
電化學(xué)性能表征發(fā)現(xiàn),，在Co(OH)2納米片中引入Fe元素之后，促進了電化學(xué)重構(gòu)過程中Co(II)到Co(III)高價金屬位點的轉(zhuǎn)變,，有利于催化劑的活性成分的調(diào)控（圖4a）,。相較于對比樣，目標(biāo)催化劑CoFeOOHNS/NF表現(xiàn)出更小的過電位,，包括在電流密度為10 mA cm-2和100 mA cm-2下的過電位分別問η10 = 236 mV和η100 = 275 mV （圖4b和c）,， 而其最小的Tafel斜率（35.5 mV dec-1）證明該催化劑在OER催化中具有更快的電荷轉(zhuǎn)移和更高效的動力學(xué)過程（圖4d）。在電流密度100 mA cm-2下,，CoFeOOHNS/NF可以穩(wěn)定催化OER達(dá)35 h而未發(fā)生明顯衰減,，而且經(jīng)過20000個循環(huán)伏安測試前后,，極化曲線顯示其過電位僅正移8 mV（圖4e和f）。綜上結(jié)果證明該CoFeOOHNS/NF具有較高的催化OER的活性和穩(wěn)定性,。
圖5. 電化學(xué)性質(zhì)及器件性能評價
通過交流阻抗測試證明了目標(biāo)CoFeOOHNS/NF具有更小的阻抗值,，而雙電容測試證明其具有更大的電化學(xué)活性面積（圖5a和b），這些都有利于促進電化學(xué)活性的提升,。我們還研究目標(biāo)催化劑在堿性溶液中催化氧化尿素的性能,，從其極化曲線上可以發(fā)現(xiàn),，當(dāng)溶液中存在.033 M尿素時,，100 mA cm-2下的過電位僅為1.462 V，如果采用尿素氧化作為電解水制氫的陽極反應(yīng),，可以適度的降低由于OER過程過電位較大引起的電能的浪費等問題,，所以我們研究了以不同情況下的電解水制氫的電解池的性能，如圖5d所示,，可以發(fā)現(xiàn)該催化劑在以尿素為電解水制氫陽極反應(yīng)時具有較大的潛力,。圖5e證明了以CoFeOOHNS/NF作為陽極OER催化電極時的電解池具有較高的穩(wěn)定性。圖5f為一節(jié)1.5 V商業(yè)電池驅(qū)動的CoFeOOHNS/NF‖Pt/C/NF電解池,，可以看到兩電極上有氣泡產(chǎn)生,，證明了該催化劑的優(yōu)異的性能。
論文標(biāo)題：Synergizing high valence metal sites and amorphous/crystalline interfaces in electrochemical reconstructed CoFeOOH heterostructure enables efficient oxygen evolution reaction
論文網(wǎng)址：https://doi.org/10.1007/s12274-022-4618-6
DOI：10.1007/s12274-022-4618-6
附課題組介紹：
王博,，北京理工大學(xué)黨委常委,、副校長，高能量物質(zhì)前沿科學(xué)中心主任,，教授,。國家萬人計劃領(lǐng)軍人才，國家杰出青年基金獲得者,，科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,。獲“科睿唯安世界高被引科學(xué)家”“中國化學(xué)會青年化學(xué)獎”，北京青年五四獎?wù)碌葮s譽?，F(xiàn)任中國科協(xié)常務(wù)委員,，教育部科技委委員；國際IZA學(xué)會MOF Commission常務(wù)理事,，科技部氫能專項總體組專家,，中國交通部環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學(xué)會常務(wù)理事，國際電化學(xué)能源科學(xué)院（IAOEES）理事,，中關(guān)村氫能技術(shù)聯(lián)盟副理事長,，中國交通部環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學(xué)會理事，兼職擔(dān)任京津冀國家技術(shù)創(chuàng)新中心理事,；中國化學(xué)快報,、中國化學(xué)學(xué)報和Scientific Reports等雜志編委,，安全與環(huán)境學(xué)報副主編。主要從事新型納米多孔材料,、開放框架聚合物理論與設(shè)計及其在關(guān)鍵分離過程,、環(huán)境防護以及能源氣體生產(chǎn)與儲能等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。在 Nature,、J. Am. Chem. Soc.,、Angew. Chem. Int. Ed. 等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表90余篇論文，獲美國授權(quán)專利6項,，獲中國授權(quán)發(fā)明專利8項,。
楊文秀，北京理工大學(xué),，博導(dǎo),，副教授。主要從事功能化納米材料的合成及其在催化,、新能源領(lǐng)域的應(yīng)用（電解水,、鋅–空氣電池、燃料電池和CO2還原等）,。近年來,，申請人發(fā)表SCI論文52篇，其中以第一/通訊作者的身份在Trend. Chem.,，J. Am. Chem. Soc.,，Angew. Chem. Int. Ed.等國際期刊上發(fā)表論文24篇，總引用3000余次,。申請發(fā)明專利6項,。作為項目負(fù)責(zé)人主持國家自然科學(xué)基金面上項目、青年基金項目,、中國博士后科學(xué)基金,、北京理工大學(xué)啟動計劃等。
課題組網(wǎng)站：https://bowang.bit.edu.cn/chinese/index.htm
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