Energy & Environmental Science：超薄非晶態鈷釩氫(氧)氧化物用于高效OER

【引言】

能源困境和全球變暖的挑戰促使人們對水分解過程進行科學探索，其中氧化半反應，即產氧反應(OER)起著特別重要的作用。開發具有優異性能的低成本電催化劑以降低OER過程中的高過電位和相關能量損失一直是其在實際應用道路中的挑戰。低成本催化劑，特別是3d金屬(V, Mn, Fe, Co, Ni) 化合物的使用已經顯示出替代高活性但稀有的貴金屬氧化物(例如IrO₂和RuO₂)的巨大潛力。近年來，具有獨特分子式和固有豐富缺陷的非晶態材料由于具有高效催化的能力而備受關注。Kanan和Nocera關于自修復無定形磷酸鈷的報告促進了易于制備、富含地球的催化劑的開發。Indra等人表明無定形鈷鐵氧化物對OER的性能甚至優于它們對應的晶體。對于非晶態氫氧化鈷和氫氧化鎳納米片以及基于非晶態結構的其它高級催化劑也獲得類似的結果。

然而，如何合理設計具有優化的整體性能，即低過電位和長期穩定性的非晶態電催化劑仍然是一個重大挑戰。目前，有兩種設計策略可用于提高催化活性。一種是利用可控合金化合物形成有利的局部配位和能量學，而另一種是利用超薄樣品的有益界面效應來增加活性金屬位點的暴露并實現更快的離子遷移。

【成果簡介】

近日。來自北京航空航天大學的郭林教授香港科技大學的楊世河教授以及中國科學技術大學的羅毅教授（共同通訊）在Energy & Environmental Science聯合發表文章，題為：Ultrathin amorphous cobalt–vanadium hydr(oxy)oxide catalysts for the oxygen evolution reaction。研究人員合成的超薄非晶態鈷釩氫(氧)氧化物是一種非常有前途的用于OER的電催化材料，在10 mA cm^?2下具有0.250 V的低過電位(當負載在Au泡沫上時甚至更低至0.215 V )，并且在堿性介質中具有長的穩定反應時間(170 h)。結合原位X射線吸收光譜表征和第一性原理模擬，研究人員發現超薄、無定形和合金化的結構特征使其易于轉變為理想的活性相，從而顯著提高了催化活性。研究人員的發現突出了二維非晶材料的顯著優勢，為高性能電催化劑的設計提供了新的思路。

【圖文導讀】

圖1. 形貌表征

(a和b) CoV-UAH的TEM圖,插圖是其SAED圖；

(c)膠體溶液的光學圖像和CoV-UAH的形態和結構的示意圖。紅色、藍色和灰色原子分別是O、Co和V原子；

(d) CoV-UAH大角度環形暗場(HAADF)模式掃描透射電子顯微鏡(STEM)圖像和相關的EDS圖像；

(e) CoV-UAH的原子力顯微鏡圖像，其中P-1和P-II標記了納米片中的孔；

(f) CoV-UAH相應高度剖面圖；

(g) Co - UH的透射電鏡圖像，插圖為SAED圖；

(h)膠體溶液的光學圖像和Co-UH的形態和結構的示意圖。紅色原子和藍色原子分別是O原子和Co原子；

圖2. CoV-UAH結構表征

(a和b) CoV-UAH中的Co 2p和V 2p的XPS圖；

(c) CoV-UAH, 和參考材料Co(OH)₂和CoOOH的Co K-edge XANES圖；

(d) CoV-UAH和參考材料VO₂, V₂O₅和Co₃V₂O₈ V K-edge XANES圖；

圖3. CoV-UAH OER的電化學性能

(a)經IR校正的CoV-UAH, Co-UH, V₂O₅, CoV-C和IrO₂的LSV曲線；

(b)在N₂飽和1 M KOH中，使用旋轉環形盤電極測量(示意圖如插圖所示)對CoV-UAH法拉第效率進行測試；

(c)塔菲爾曲線；

(d)在0.18 V時相對于銀/氯化銀 (△J = Ja - Jc ) 的充電電流密度與掃描速率的關系曲線；

圖4. CoV-UAH的原位XAS表征

(a和b) Co - K - edge XANES收集的初始狀態、CoV-UAH和CoV-C的原位狀態以及CoOOH作為配對物的數據；

(c和d) V . K - edge XANES收集的初始狀態、CoV-UAH和CoV-C的原位狀態以及VO₂作為對應物的數據；

圖5. DFT計算

(a) 建立的模型和吸附幾何形狀；

(b) 自由能圖；

【總結】

綜上所述，采用簡單的一步共沉淀法制備了超薄非晶態CoV-UAH，該催化劑對OER具有優異的催化性能。合成的非晶態催化劑具有二維超薄特性，V族摻雜均勻。它具有將其原始相轉移到具有優化活性Co狀態的真實活性相的能力，與具有剛性構象的結晶結構形成鮮明對比。這種靈活性確保實現高活性和長期穩定性。值得注意的是，在設計高級催化劑時，應考慮轉化為活性相的能力和形成的活性相的催化能力。作者的工作展示了超薄非晶催化材料的廣闊前景，豐富了對電催化反應結構-活性關系的認識。

文獻鏈接：Ultrathin amorphous cobalt–vanadium hydr(oxy)oxide catalysts for the oxygen evolution reaction，(Energy & Environmental Science, 2018, DOI: 10.1039/c8ee00611c)

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，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，點我加入材料人編輯部。

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。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu。

材料測試，數據分析，上測試谷！