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宏量制備無定形NiFeMo氧化物及其表面重構助力高效OER電催化
瀏覽: 發布日期:2019-10-28

中國科大:宏量制備無定形NiFeMo氧化物及其表面重構助力高效OER電催化

析氧反應(OER)是電化學全水解產氫的關鍵步驟,緩慢的OER動力學過程在很大程度上阻礙了全分解水系統的應用。因此,發展廉價高效的OER電催化劑,進一步降低電極過電勢,是非常具有挑戰性課題。相對于目前廣泛報道的結晶型電催化劑而言,無定形OER電催化劑因其提高的性能而逐漸受到關注。然而,制備無定形催化劑的方法發展緩慢,而且無定形結構在催化反應中的作用仍然沒有清晰的解釋。材料空位(如氧空位)是OER催化劑的理想催化位點,其可以提高材料導電性,調節催化材料表面與氧中間體的相互作用,降低動力學能壘,從而提高OER性能。然而,如何實現催化劑中適量氧空位的生成仍然面臨很大的挑戰。

圖1. 無定形NiFeMo氧化物的大規模合成

 

近日,中國科學技術大學俞書宏教授()團隊和高敏銳教授()課題組通過室溫過飽和溶液共沉積法,實現了無定形NiFeMo氧化物納米材料的宏量制備。該方法簡便快捷,反應幾分鐘即可一次性生產多達515克的產物 (圖1)。制備的無定形NiFeMo氧化物在堿性條件下展示出優異的OER催化活性,明顯優于結晶型的NiFeMo氧化物。其在10 mA/cm2的過電位僅為280 mV,并表現出優異的循環穩定性(圖2)。

圖2. 無定形NiFeMo氧化物和結晶型NiFeMo氧化物的OER性能比較

 

通過深入觀察測試中催化劑的衍變,研究人員發現無定形NiFeMo氧化物在OER過程中經歷了快速的表面自重構過程,形成了富氧空位的NiFeOOH活性層,而后者作為真正的活性中心表現出優異的催化活性。原位拉曼信號表明無定形NiFeMo氧化物能在更低的過電勢下形成NiFeOOH活性層。相對而言,結晶型NiFeMo氧化物,其表面自重構過程緩慢,這是因為Mo從結晶型NiFeMo晶格擴散溶解到電解質中的過程受到限制,導致Ni/Fe陽離子的表面自構造過程受到抑制,從而無法形成高效的活性中心(圖3)。進一步的密度泛函理論(DFT)計算表明,氧空位可以弱化*OOH吸附,提高OER性能。

圖3. 無定形NiFeMo氧化物和結晶型NiFeMo氧化物的原位拉曼測試和表面重構示意圖

 

該研究工作對無定形金屬氧化物的合成及催化機理進行了深入闡述,為宏量制備無定形金屬氧化物OER催化劑的合成與研究提供了新思路。相關研究論文發表在Angewandte Chemie International Edition 上。該論文共同第一作者為中國科學技術大學博士生段玉、博士后余自友和博士生胡少進