ACS Appl. Mat. Interfaces：無碳尖晶石NiCo2O4催化劑對堿性介質中雙功能氧還原和進化的形態控制

【引言】

堿性燃料電池和電解質具有許多優點：對雜質的耐受性高，有利的氧氣反應動力學，以及對催化劑的腐蝕性較小。不含鉑族金屬（PGM）的催化劑在堿性介質中更為理想，并且更有希望完全取代PGM催化劑。在所研究的不含PGM的催化劑中，碳基催化劑的氧析出反應（OER）顯示出良好的活性，而氧還原反應（ORR）性能還有待提高。相反，過渡金屬氧化物氧還原反應（ORR）活性差。

因此，開發ORR和OER都有活性和穩定的無碳氧化物催化劑是最大的目標。目前，尖晶石型NiCo₂O₄具有良好的活性和穩定性，被認為是一種很有前景的非貴金屬催化劑，在電化學應用中引起了人們的廣泛關注。尖晶石型NiCo2O4目前的主要研究工作集中在：通過最佳的化學摻雜和調整電子結構來增強其催化活性。

【成果簡介】

近日，在紐約州立大學布法羅分校武剛教授帶領下，與美國布魯克海文國家實驗室和美國南卡羅來納大學哥倫比亞分校合作，研究了通過合成三種明顯不同的形態的NiCo₂O₄催化劑，分別使用了無模板，Pluronic-123（P-123）軟模板和SiO₂硬模板。采用Pluronic-123軟模板法制備的花狀納米針狀組裝NiCo₂O₄催化劑對ORR和OER均表現出最高的催化活性和穩定性。他們系統地研究了NiCo₂O₄的形態控制，闡明雙功能氧還原反應（ORR）和氧析出反應（OER）的催化劑性能依賴于形態。這種有效的形態控制方法使氧化物催化劑產生穩定的結構，以及更好的分散性和活性位點。相關成果以題為“Morphology Control of Carbon-free Spinel NiCo₂O₄ Catalysts for Enhanced Bifunctional Oxygen Reduction and Evolution in Alkaline Media”發表在了ACS Applied Materials & Interfaces上。

【圖文導讀】

圖1. 三種形態NiCo₂O₄催化劑的SEM形貌圖

(a) 無模板合成的NiCo₂O₄催化劑；

(b) P-123軟模板合成的NiCo₂O₄催化劑；

(c) SiO₂硬模板合成的NiCo₂O₄催化劑的三種形態。

圖2. 三種形態NiCo₂O₄催化劑的TEM和HR-TEM圖像

(a-d) 無模板輔助NiCo₂O₄催化劑的SAED圖案；

(e-h) 軟模板輔助NiCo₂O₄催化劑的SAED圖案。

圖3. Co和Ni均勻分布的軟模板NiCo₂O₄的STEM圖像和元素映射

圖4. 三種不同形態的NiCo₂O₄催化劑的結構圖

(a) XRD圖；

(b) 拉曼光譜。

圖5. 三種不同形態的NiCo₂O₄催化劑的XPS圖

(a) Co 2p；

(b) Ni 2p；

(c) O 1s譜圖。

圖6. 三種不同形貌的NiCo₂O₄催化劑的孔徑分布和N₂吸附-脫附等溫線圖

(a) 孔徑分布；

(b) N₂吸附-脫附等溫線。

圖7. 三種不同形貌的NiCo₂O₄催化劑的電化學性能

（a）ORR穩態極化曲線；

（b）OER穩態極化曲線；

（c）ORR過程的過氧化物產率和電子轉移數目；

（d-e）ORR過程處于高電位區和低電位區的Tafel圖。

（f）OER過程處于低過電位的Tafel圖。

圖8. 三種不同形貌的NiCo₂O₄催化劑的阻抗圖

（a）ORR過程中電荷轉移的阻抗；

（b）OER過程中電荷轉移的阻抗。

圖9. 三種不同形貌的NiCo₂O₄催化劑的穩定性測試

（a-c）分別是軟模板、無模板和硬模板NiCo₂O₄催化劑的ORR穩定性測試；

（d-f）分別是軟模板、無模板和硬模板NiCo₂O₄催化劑的OER穩定性測試。

【小結】

該團隊展示了P-123-模板可以產生具有獨特納米針簇組裝的NiCo₂O₄催化劑，其顯示出增強的ORR / OER活性和穩定性。多孔納米針簇由許多具有高比表面積和大量中孔和大孔的NiCo₂O₄單晶組成。重要的是，最佳的P-123模板法可以產生具有高尖晶石結晶度的NiCo₂O₄單晶，并且給出Ni與Co的理論化學計量比（即1：2），從而通過提高電導率和催化性能來促進結構完整性。

武剛教授簡介

武剛教授2004年在哈爾濱工業大學完成了博士學位，之后在清華大學、南卡羅萊納州和洛斯阿拉莫斯國家實驗室完成博士后工作。2010-2014年在洛斯阿拉莫斯國家實驗室參加了近5年的科研工作，2014年8月起擔任紐約州立大學布法羅分校化學與生物工程系助理教授。他的研究主要集中在電化學能量儲存和轉換的功能材料和催化劑。2010年論文被Electrochemistry Communications 評為十大被引論文，2013年論文躋身化學領域的前十大引文，2015年論文在ACS Catalysis 排名評比為最高的1％。目前已有18篇高被引論文和1篇熱點論文。

文獻鏈接：Morphology Control of Carbon-free Spinel NiCo2O4 Catalysts for Enhanced Bifunctional Oxygen Reduction and Evolution in Alkaline Media（ACS Appl. Mat. Interfaces, 2017, DOI: 10.1021/acsami.7b16389 ）

本文由材料人編輯部新人組木文韜編譯供稿，趙飛龍審核，點我加入編輯部。

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