北理工團隊在高價金屬位點與無定形/晶形界面異質結催化劑協(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：前沿交叉科學研究院
編輯：朱倩云 審核：唐水源 閱讀次數：
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獲得,。而低維層狀結構MOOH具有結構靈活性，有利于進行活性調控,。選擇氫氧化鈷納米片作為基礎材料,，并通過對其結構和組成進行合理調控可以獲得高效的OER催化劑，對于發(fā)展電解水制氫技術具有重要意義,。
研究亮點：a. 在Co(OH)2中引入Fe獲得CoFe(OH)x,，F(xiàn)e的可以促進電化學重構過程中Co(II)不可逆轉化為Co(III)，有利于高價金屬位點的構建,。b. 所得CoFeOOH納米片結構中存在非晶形/晶形結構異質界面,，豐富的異質界面的存在可以為催化反應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筑納米片結構催化劑有利于暴露更多活性位點，交互的納米片結構之間的開放結構還有利于電催化OER傳質的發(fā)生,。
圖1 電沉積和電化學重構制備CoFeOOHNS/NF示意圖,。
作者采用電沉積和電化學重構的方法在三維鎳泡沫骨架上構建了高價金屬位點和非晶形/晶形異質界面復合催化劑CoFeOOH，該交互相連的納米片結構為催化過程提供了大的比表面積和豐富的活性位點,，納米片間開放孔結構為電催化傳質過程及活性位點的可及性提供了便利條件（圖1-2）,。
圖2. 催化劑形貌結構表征。
通過表征可以發(fā)現(xiàn),，經過電化學重構之后預催化劑的納米片結構得到了較好的保持,，同時納米片結構中存在豐富的非晶形/晶形異質界面，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. 電化學性能評價
電化學性能表征發(fā)現(xiàn)，在Co(OH)2納米片中引入Fe元素之后,，促進了電化學重構過程中Co(II)到Co(III)高價金屬位點的轉變,，有利于催化劑的活性成分的調控（圖4a）。相較于對比樣,，目標催化劑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移和更高效的動力學過程（圖4d）,。在電流密度100 mA cm-2下,，CoFeOOHNS/NF可以穩(wěn)定催化OER達35 h而未發(fā)生明顯衰減，而且經過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. 電化學性質及器件性能評價
通過交流阻抗測試證明了目標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活性面積（圖5a和b）,，這些都有利于促進電化學活性的提升。我們還研究目標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,，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)電池驅動的CoFeOOHNS/NF‖Pt/C/NF電解池,，可以看到兩電極上有氣泡產生，證明了該催化劑的優(yōu)異的性能,。
論文標題：Synergizing high valence metal sites and amorphous/crystalline interfaces in electrochemical reconstructed CoFeOOH heterostructure enables efficient oxygen evolution reaction
論文網址：https://doi.org/10.1007/s12274-022-4618-6
DOI：10.1007/s12274-022-4618-6
附課題組介紹：
王博,，北京理工大學黨委常委、副校長,，高能量物質前沿科學中心主任,，教授。國家萬人計劃領軍人才,，國家杰出青年基金獲得者,，科技部中青年科技創(chuàng)新領軍人才。獲“科睿唯安世界高被引科學家”“中國化學會青年化學獎”,，北京青年五四獎章等榮譽?，F(xiàn)任中國科協(xié)常務委員,，教育部科技委委員；國際IZA學會MOF Commission常務理事,，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)展學會常務理事，國際電化學能源科學院（IAOEES）理事,，中關村氫能技術聯(lián)盟副理事長,，中國交通部環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學會理事，兼職擔任京津冀國家技術創(chuàng)新中心理事,；中國化學快報,、中國化學學報和Scientific Reports等雜志編委，安全與環(huán)境學報副主編,。主要從事新型納米多孔材料,、開放框架聚合物理論與設計及其在關鍵分離過程、環(huán)境防護以及能源氣體生產與儲能等領域的應用研究,。在 Nature,、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed. 等學術期刊上發(fā)表90余篇論文,，獲美國授權專利6項,，獲中國授權發(fā)明專利8項。
楊文秀,，北京理工大學,，博導，副教授,。主要從事功能化納米材料的合成及其在催化,、新能源領域的應用（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,。作為項目負責人主持國家自然科學基金面上項目、青年基金項目,、中國博士后科學基金,、北京理工大學啟動計劃等。
課題組網站：https://bowang.bit.edu.cn/chinese/index.htm
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