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永利总站:北理工团队在高价金属位点与无定形/晶形界面异质结催化剂协同催化水氧化取得最新研究成果


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过渡金属羟基氧化物(MOOH,M="Fe,Co,Ni)通常是电催化OER的真正的活性位点,可以由各种不同的含氧材料的不可逆表面重构获得。而低维层状结构MOOH具有结构灵活性,有利于进行活性调控。选择氢氧化钴纳米片作为基础材料,并通过对其结构和组成进行合理调控可以获得高效的OER催化剂,对于发展电解水制氢技术具有重要意义。

研究亮点:a. 在Co(OH)2中引入Fe获得CoFe(OH)x,Fe的可以促进电化学重构过程中Co(II)不可逆转化为Co(III),有利于高价金属位点的构建。b. 所得CoFeOOH纳米片结构中存在非晶形/晶形结构异质界面,丰富的异质界面的存在可以为催化反应暴露更多可及的活性位点,促进催化活性的发挥。c. 三维镍泡沫骨架上构筑纳米片结构催化剂有利于暴露更多活性位点,交互的纳米片结构之间的开放结构还有利于电催化OER传质的发生。

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图1 电沉积和电化学重构制备CoFeOOHNS/NF示意图。

作者采用电沉积和电化学重构的方法在三维镍泡沫骨架上构建了高价金属位点和非晶形/晶形异质界面复合催化剂CoFeOOH,该交互相连的纳米片结构为催化过程提供了大的比表面积和丰富的活性位点,纳米片间开放孔结构为电催化传质过程及活性位点的可及性提供了便利条件(图1-2)。

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图2. 催化剂形貌结构表征。

通过表征可以发现,经过电化学重构之后预催化剂的纳米片结构得到了较好的保持,同时纳米片结构中存在丰富的非晶形/晶形异质界面,以及高价金属位点CoOOH和FeOOH,其中元素分布均匀。

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图3. 催化剂成分表征。

通过XPS表征证明了高价金属位点的形成,而其中金属元素的结合能的位移证明了金属位点之间存在相互作用,该作用有利于促进OER过程。

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图4. 电化学性能评价

电化学性能表征发现,在Co(OH)2纳米片中引入Fe元素之后,促进了电化学重构过程中Co(II)到Co(III)高价金属位点的转变,有利于催化剂的活性成分的调控(图4a)。相较于对比样,目标催化剂CoFeOOHNS/NF表现出更小的过电位,包括在电流密度为10 mA cm-2和100 mA cm-2下的过电位分别问η10 = 236 mV和η100 = 275 mV (图4b和c), 而其最小的Tafel斜率(35.5 mV dec-1)证明该催化剂在OER催化中具有更快的电荷转移和更高效的动力学过程(图4d)。在电流密度100 mA cm-2下,CoFeOOHNS/NF可以稳定催化OER达35 h而未发生明显衰减,而且经过20000个循环伏安测试前后,极化曲线显示其过电位仅正移8 mV(图4e和f)。综上结果证明该CoFeOOHNS/NF具有较高的催化OER的活性和稳定性。

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图5. 电化学性质及器件性能评价

通过交流阻抗测试证明了目标CoFeOOHNS/NF具有更小的阻抗值,而双电容测试证明其具有更大的电化学活性面积(图5a和b),这些都有利于促进电化学活性的提升。我们还研究目标催化剂在碱性溶液中催化氧化尿素的性能,从其极化曲线上可以发现,当溶液中存在.033 M尿素时,100 mA cm-2下的过电位仅为1.462 V,如果采用尿素氧化作为电解水制氢的阳极反应,可以适度的降低由于OER过程过电位较大引起的电能的浪费等问题,所以我们研究了以不同情况下的电解水制氢的电解池的性能,如图5d所示,可以发现该催化剂在以尿素为电解水制氢阳极反应时具有较大的潜力。图5e证明了以CoFeOOHNS/NF作为阳极OER催化电极时的电解池具有较高的稳定性。图5f为一节1.5 V商业电池驱动的CoFeOOHNS/NF‖Pt/C/NF电解池,可以看到两电极上有气泡产生,证明了该催化剂的优异的性能。

论文标题:Synergizing high valence metal sites and amorphous/crystalline interfaces in electrochemical reconstructed CoFeOOH heterostructure enables efficient oxygen evolution reaction

论文网址:https://doi.org/10.1007/s12274-022-4618-6

DOI:10.1007/s12274-022-4618-6


附课题组介绍:

王博,永利总站5856官方网站党委常委、副校长,高能量物质前沿科学中心主任,教授。国家万人计划领军人才,国家杰出青年基金获得者,科技部中青年科技创新领军人才。获“科睿唯安世界高被引科学家”“中国化学会青年化学奖”,北京青年五四奖章等荣誉。现任中国科协常务委员,永利总站5856官方网站部科技委委员;国际IZA学会MOF Commission常务理事,科技部氢能专项总体组专家,中国交通部环境与可持续发展学会常务理事,国际电化学能源科学院(IAOEES)理事,中关村氢能技术联盟副理事长,中国交通部环境与可持续发展学会理事,兼职担任京津冀国家技术创新中心理事;中国化学快报、中国化学学报和Scientific Reports等杂志编委,安全与环境学报副主编。主要从事新型纳米多孔材料、开放框架聚合物理论与设计及其在关键分离过程、环境防护以及能源气体生产与储能等领域的应用研究。在 Nature、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed. 等学术期刊上发表90余篇论文,获美国授权专利6项,获中国授权发明专利8项。

杨文秀,永利总站5856官方网站,博导,副教授。主要从事功能化纳米材料的合成及其在催化、新能源领域的应用(电解水、锌–空气电池、燃料电池和CO2还原等)。近年来,申请人发表SCI论文52篇,其中以第一/通讯作者的身份在Trend. Chem.,J. Am. Chem. Soc.,Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊上发表论文24篇,总引用3000余次。申请发明专利6项。作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目、青年基金项目、中国博士后科学基金、永利总站5856官方网站启动计划等。

课题组网站:https://bowang.bit.edu.cn/chinese/index.htm


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