Adv. Mater. : 具有高效水氧化性能的六方相梭型赤鐵礦

【引言】

電解水是生產作為燃料和化工原料的氫的重要途徑之一。非貴金屬氧化物電催化劑作為降低過電壓且提高能源效率的合適備選，吸引了廣泛的研究興趣。由于赤鐵礦(α-Fe₂O₃)具有廉價環保、儲量豐富、耐腐蝕等特性，利用其作為產氧反應(OER)電催化劑的前景誘人。然而，α-Fe₂O₃電催化劑很少在OER中使用或顯示出較低的超電勢(η)，究其原因主要是兩方面：1) (110)晶面具有良好的導電性和令人滿意的電化學性能，但具備主要反應活性晶面(110)的Fe₂O₃晶體結構較少；2)將助催化劑和摻雜物與Fe₂O₃復合的同時保留其獨特的晶體性質、形貌和反應活性，尚無有效且可行的方法。

【成果簡介】

近日，澳大利亞昆士蘭大學Zhu Zhonghua教授和昆士蘭科技大學Kostya Ostrikov教授(共同通訊作者)等制備出具有OER反應主要活性面且成本低廉的六方相八面體赤鐵礦，并在Adv. Mater.上發表了題為“Hexagonal Sphericon Hematite with High Performance for Water Oxidation”的研究論文。作者依次將近原子級的Ce物種和鎳納米粒子均勻分布到赤鐵礦的選擇性位點，繼而引發復雜的協同效應，提高了整體催化OER的性能。上述廉價的六方相梭型赤鐵礦(Fe≈98%)只需要較低過電勢(η)(0.34 V)即可達到10 mA·cm^-2，優于商業IrO₂和昂貴的鈷基、鎳基和鋰基電催化劑。
[致歉：很抱歉，未能找到通訊作者Zhu Zhonghua的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！]

【圖文簡介】

圖1 FC-2和對照Fe₂O₃晶體的形貌和微結構

a) FC-2和Fe₂O₃的XRD譜線；

b,c) 八面體Fe₂O₃的FESEM圖像；

d,e) 六方相梭型FC-2的FESEM圖像；

f) FC-2 六方相雙錐粒子的示意圖；

g,h) FC-2的HRTEM圖像；

i,j) FC-2沿[001]和[100]軸的選區電子衍射(SAED)圖譜。

圖2 Ce和Ni在FC-2晶體中的分布

a) FC-2的HAADF-STEM圖像；

b-f) FC-2的元素分布圖像；

g,h) FC-2的HRTEM圖像。

圖3 FC-2 電催化劑的OER性能以及和其他電催化劑的性能比較

a) FC-2、Fe-Ce、Fe-Ni和IrO₂的OER線掃曲線(O₂飽和的0.1 M KOH溶液)；

b) FC-2、Fe-Ce、Fe-Ni和IrO₂的Tafel斜率；

c) FC-2、Fe-Ce、Fe-Ni和IrO₂的OER質量活性和位點活性(η = 0.35 V)；

d) FC-2的OER穩定性(O2飽和的0.1 M KOH溶液)。

圖4 FC-2通過電荷重新分配和氧空位效應增強電催化活性

a) FC-2和CeO₂的Ce 3d XPS光譜；

b) 樣品界面的氧空位濃度；

c) FC-2、Fe₂O₃和CeO₂的O 1s XPS光譜；

d) FC-2、Fe-Ce和Fe-Ni的EIS譜線。

【小結】

研究人員利用簡單的溶劑熱-浸漬法制備出了Ce-Ni修飾六方八面體赤鐵礦(FC-2)，相比對照的α-Fe₂O₃和IrO₂催化劑，在KOH溶液中FC-2的OER性能更加出色。Ce物種和鎳納米粒子均勻分布到赤鐵礦的選擇性位點引發了復雜的協同效應，提高了整體催化OER的性能。上述廉價的電催化劑具有較低的η(0.34 V)和塔菲爾斜率(45 mV·dec-1)，優于目前報道的非貴金屬OER電催化劑。基于六方相梭型赤鐵礦(FC-2)且廉價、高活性和穩定的OER電催化劑為開發不同的赤鐵礦基催化劑另辟蹊徑，有望在多領域中得到應用。

文獻鏈接：Hexagonal Sphericon Hematite with High Performance for Water Oxidation?(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201703792)

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