北京化工大學 孫曉明&潘軍青Adv. Energy Mater.：三元水滑石/N-GO雙功能ORR-OER催化劑

【引言】

氧還原反應(Oxygen reduction reaction, ORR)和氧析出反應(Oxygen evolution reaction, OER)在儲能及能源轉換領域中扮演著重要角色（例如金屬-空氣電池、燃料電池及電解水等）。然而，目前應用于催化ORR和OER的商業化貴金屬催化劑（Pt、Ir等）存在著價格昂貴及穩定性差的問題，嚴重限制了上述領域的發展。因此，開發出廉價、同時具有ORR和OER性能的雙功能催化劑迫在眉睫。

【成果簡介】

近日，北京化工大學孫曉明教授和潘軍青教授（共同通訊作者）帶領的團隊提出一種制備高效雙功能催化劑的新策略。在該工作中，研究人員利用原位生長的方法，實現了鎳-鈷-鐵三元水滑石材料（Ni₂Co^IIIFe-LDH）于氮摻雜氧化石墨烯（N-GO）上的垂直生長。不同于之前報道中水滑石材料平行于氧化石墨烯的生長方式，垂直生長的水滑石材料賦予了復合材料（Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO）獨特的納米陣列結構。得益于這種獨特的結構，復合材料可以充分地暴露出活性位點，促進了OER過程中氫氧根的滲透和氧氣的析出以及ORR過程中氧氣的擴散。此外，三價Co的存在調節了復合材料的電荷密度，進一步助力了材料的催化性能。活性位點的有效暴露及高效的電荷傳輸賦予了復合材料可媲美于Pt、Ir的催化性能，在OER和ORR過程中分別呈現出1.41 V和0.88 V的起始電位。另外，ORR和OER間0.769 V的過電壓進一步證明該復合材料是一種極具應用潛力的OER-ORR雙功能催化材料。該成果以題為“NiCoFe-Layered Double Hydroxides/N-Doped Graphene?Oxide Array Colloid Composite as an Efficient Bifunctional?Catalyst for Oxygen Electrocatalytic Reactions”發表在Adv. Energ. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.N-GO上原位生長LDH納米片示意圖

圖2.材料結構相關表征

a)Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO, Ni₂CoFe-LDH及GO的XRD譜圖

b)Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO, Ni₂CoFe-LDH及GO的拉曼光譜

e)Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO, Ni₂CoFe-LDH+GO及Ni₂CoFe-LDH的N₂吸/脫附等溫線

圖3.材料形貌相關表征

a)N-GO, b)NiCoFe-LDH, c)Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO的SEM形貌

d-f)Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO的TEM形貌

圖4.材料OER/ORR性能測試

a)Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO, Ni₂CoFe-LDH+GO, Ni₂CoFe-LDH, Ir/C及?Pt/C-20%在1600rmp下的ORR和OER LSV曲線

b)本工作中的Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO與之前報道的材料在ORR、OER催化性能及ORR和OER間過電壓方面的比較

c)所有樣品的OER及d)ORR 塔菲爾斜率

圖5.材料組分及元素分析

Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO and Ni₂CoFe-LDH材料中a)Ni,?b)Fe,?c)Co元素分析

【結論】

研究人員利用原位生長的手段，實現了鎳鈷鐵三元水滑石材料在N-GO上的垂直生長，獲得了具有納米陣列結構的復合材料。Ni₂Co^IIIFe-LDH和N-GO間的協同效應賦予了復合材料有效的活性位點和快速的電子傳輸速率，使其展現出高效的OER/ORR雙催化性能。研究結果表明，Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO的OER催化活性超過Ir/C-20%，且其ORR催化活性接近于Pt/C-20%。此外，材料呈現出目前報道最低的OER和ORR間過電壓(0.769V）及優異的催化持久性（30000s)。該工作所提出的材料結構及化學設計理念為儲能及能源轉化領域中高效多功能催化劑的開發提供了有力借鑒。

文獻鏈接：NiCoFe-Layered Double Hydroxides/N-Doped Graphene?Oxide Array Colloid Composite as an Efficient?Bifunctional?Catalyst for Oxygen Electrocatalytic Reactions?(Adv. Energ. Mater. ,2017,?DOI: 10.1002/aenm.201701905)

本文由材料人編輯部新能源組牛越整理編譯，點我加入材料人編輯部。

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