華中科技大學AM：鎳鐵硫化物衍生的NiFe羥基氧化物作為高效的氧析出催化劑
【引言】
隨著環境問題和能源危機的日益嚴重，如何利用清潔和可持續的新能源取代化石燃料，已受到研究人員的廣泛關注。在新能源的制備和轉化利用中，氧析出反應（OER）被認為是電解水制氫和金屬-空氣電池等應用中的關鍵步驟。目前，商用OER催化劑通常為IrO2和RuO2等稀有貴金屬，如何減少催化劑中貴金屬的用量，制備廉價、高效的OER催化劑，已成為電化學研究者們的重要課題。
【成果簡介】
近日，華中科技大學李箐教授和韓國蔚山國立科學技術研究所Jaephil Cho教授（共同通訊）等人在Advanced Materials上發表題為“NiFe (Oxy) Hydroxides Derived from NiFe Disulfides as an Efficient Oxygen Evolution Catalyst for Rechargeable Zn–Air Batteries: The Effect of Surface S Residues”的論文。論文第一作者為華中科技大學王譚源。作者利用鎳鐵的硫化物作為前驅體，通過簡單的水熱氧化過程制備了Ni6/7Fe1/2-OH催化劑材料。催化劑在10 mA/cm2的電流密度下，表現出190 mV的OER反應過電位，并在鋅空氣電池的測試中表現出優異的性能。此外，作者發現氧化過程中，殘余的硫元素能降低OER反應中O*和OH*在鐵原子上的吸附能，對提高OER反應的活性具有重要意義。
【圖文解析】
圖1: NixFe1-xS2、Ni6/7Fe1/7-OH-2和Ni6/7Fe1/7-OH-6的制備方法及SEM圖（a）；Ni6/7Fe1/7-OH-2的TEM圖（b）和HRTEM（c）圖；NixFe1-xS2、Ni6/7Fe1/7-OH-2和Ni6/7Fe1/7-OH-6的XRD對比圖（d）
論文所采用的Ni6/7Fe1/7-OH-6是通過兩步法制備的：首先作者利用水熱法制備了NixFe1-xS2，進而利用過氧化氫水熱法對其進行氧化處理。XRD顯示了隨著氧化時間的增長，材料逐漸從NiS2轉化為Ni(OH)2的過程。而SEM圖表明材料在轉化過程中，納米線逐漸變為納米片。
圖2:不同比例的鎳鐵催化劑與商品化IrO2催化劑的LSV對比圖（a）和tafel曲線對比圖（b）；催化劑不同的氧化時間的LSV對比圖（c）；催化劑負載碳納米管前后的LSV對比圖（d）及其在210 mV過電位下的交流阻抗譜對比圖（e）；Ni6/7Fe1/7-OH-6在10 mA/cm2電流密度下的穩定性測試（f）。
作者討論了鎳鐵催化劑載OER中的性能，得出Ni6/7Fe1/7-OH-6為最佳的OER催化劑，在負載碳納米管后，10 mA/cm2電流密度下的過電位低至190 mV，且在較長時間內，保持較好的穩定性。
圖3: NixFe1-xOOH、NixFe1-xOOH-S-1和NixFe1-xOOH-S-2在OER反應中的DFT計算
作者認為，NixFe1-xS2在轉化為NixFe1-xOOH的過程中，部分硫原子會殘留在材料上，并分布在材料表面上（S-1）和表面內（S-2）。DFT計算結果表面，相對于不含硫的NixFe1-xOOH，NixFe1-xOOH-S-1和NixFe1-xOOH-S-2對O*和OH*表現出更好的吸附能，尤其是NixFe1-xOOH-S-2的△GO-△GOH的值從1.73 eV降低至1.22 eV，極大地改善了材料對OER反應的催化性能。
【結論】
該研究利用NiFe硫化物作為前驅體，制備了NiFe羥基氧化物作為高效的OER催化劑，在10 mA/cm2的電流密度下表現出優異的過電位和塔菲爾斜率，實現了對OER催化活性的顯著改善。其中，硫元素不僅作為催化劑前驅體，而且還降低了OER反應中O*和OH*的吸附能，促進了OER反應的進行。這為OER催化劑的研究和設計提供了新的思路。
文獻鏈接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201800757（Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201800757）
材料人專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。
歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。
PS：材料人重磅推出材料計算解決方案，組建了一支來自全國知名高校老師及企業工程師的科技顧問團隊，專注于為大家解決各類計算模擬需求。如果您有需求，歡迎掃以下二維碼提交您的需求。或點擊鏈接提交，或直接聯系微信客服（微信號：cailiaoren001）
文章評論(0)