北理工團(tuán)隊(duì)在高價(jià)金屬位點(diǎn)與無(wú)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(guò)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(diǎn)，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(jìn)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(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行合理調(diào)控可以獲得高效的OER催化劑,，對(duì)于發(fā)展電解水制氫技術(shù)具有重要意義。
研究亮點(diǎn)：a. 在Co(OH)2中引入Fe獲得CoFe(OH)x,，F(xiàn)e的可以促進(jìn)電化學(xué)重構(gòu)過(guò)程中Co(II)不可逆轉(zhuǎn)化為Co(III),，有利于高價(jià)金屬位點(diǎn)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(diǎn),，促進(jìn)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(diǎn),，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(jià)金屬位點(diǎn)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(guò)程提供了大的比表面積和豐富的活性位點(diǎn),，納米片間開放孔結(jié)構(gòu)為電催化傳質(zhì)過(guò)程及活性位點(diǎn)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(guò)表征可以發(fā)現(xiàn),，經(jīng)過(guò)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(shí)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(jià)金屬位點(diǎn)CoOOH和FeOOH,，其中元素分布均勻,。
圖3. 催化劑成分表征。
通過(guò)XPS表征證明了高價(jià)金屬位點(diǎn)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(diǎn)之間存在相互作用，該作用有利于促進(jìn)OER過(guò)程,。
圖4. 電化學(xué)性能評(píng)價(jià)
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(jìn)了電化學(xué)重構(gòu)過(guò)程中Co(II)到Co(III)高價(jià)金屬位點(diǎn)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(duì)比樣，目標(biāo)催化劑CoFeOOHNS/NF表現(xiàn)出更小的過(guò)電位,，包括在電流密度為10 mA cm-2和100 mA cm-2下的過(guò)電位分別問(wèn)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(dòng)力學(xué)過(guò)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(guò)20000個(gè)循環(huán)伏安測(cè)試前后，極化曲線顯示其過(guò)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(píng)價(jià)
通過(guò)交流阻抗測(cè)試證明了目標(biāo)CoFeOOHNS/NF具有更小的阻抗值，而雙電容測(cè)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(jìn)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(shí),，100 mA cm-2下的過(guò)電位僅為1.462 V，如果采用尿素氧化作為電解水制氫的陽(yáng)極反應(yīng),，可以適度的降低由于OER過(guò)程過(guò)電位較大引起的電能的浪費(fèi)等問(wèn)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(yáng)極反應(yīng)時(shí)具有較大的潛力,。圖5e證明了以CoFeOOHNS/NF作為陽(yáng)極OER催化電極時(shí)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(dòng)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(zhǎng)，高能量物質(zhì)前沿科學(xué)中心主任,，教授,。國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃領(lǐng)軍人才,，國(guó)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(guó)化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)”,，北京青年五四獎(jiǎng)?wù)碌葮s譽(yù)。現(xiàn)任中國(guó)科協(xié)常務(wù)委員,，教育部科技委委員,；國(guó)際IZA學(xué)會(huì)MOF Commission常務(wù)理事，科技部氫能專項(xiàng)總體組專家,，中國(guó)交通部環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學(xué)會(huì)常務(wù)理事,，國(guó)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(zhǎng),，中國(guó)交通部環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學(xué)會(huì)理事,，兼職擔(dān)任京津冀國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新中心理事；中國(guó)化學(xué)快報(bào),、中國(guó)化學(xué)學(xué)報(bào)和Scientific Reports等雜志編委,，安全與環(huán)境學(xué)報(bào)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(jì)及其在關(guān)鍵分離過(guò)程,、環(huán)境防護(hù)以及能源氣體生產(chǎn)與儲(chǔ)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(guó)授權(quán)專利6項(xiàng),，獲中國(guó)授權(quán)發(fā)明專利8項(xiàng),。
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(lái),，申請(qǐng)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(guó)際期刊上發(fā)表論文24篇，總引用3000余次,。申請(qǐng)發(fā)明專利6項(xiàng),。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目,、青年基金項(xiàng)目、中國(guó)博士后科學(xué)基金,、北京理工大學(xué)啟動(dòng)計(jì)劃等,。
課題組網(wǎng)站：https://bowang.bit.edu.cn/chinese/index.htm
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