Adv. Mater. 一種提高水裂解電催化劑性能的通用設計策略！

【引言】

開發具有非凡質量活性和穩定性的高效雙功能電極是水裂解研究過程中永恒且極具挑戰性的目標。電催化過程中的催化劑的表面重建可以形成不尋常的原位非晶相的新鮮電催化劑，這些催化劑往往更加活躍，但是難以通過常規方法制備。如果將這種催化劑表面重建的策略用于開發基于鈣鈦礦的水分解新電極材料，將極具吸引力。同時，這一過程還伴隨著若干挑戰。首先，重建速率應該足夠快；其次，重建的電催化劑的電荷轉移是一個很大的問題，因為大多數鈣鈦礦氧化物在室溫下是不良的電導體，這可能顯著地延遲電極反應動力學（OER或HER）；第三，晶體鈣鈦礦氧化物通常在高溫下制備，是具有良好燒結的塊體，導致其低的比表面積。因此，即使在表面重建之后，鈣鈦礦氧化物的質量活性也確實很低。如何克服這些挑戰，且看下文。

【成果簡介】

近日，南京工業大學的Gao Chen（第一作者）在邵宗平教授和周嵬教授（通訊作者）的指導下，在國際頂級期刊Adv. Mater.上發表了文章：A Universal Strategy to Design Superior Water-Splitting Electrocatalysts Based on Fast In Situ Reconstruction of Amorphous Nanoflm Precursors。本文中，作者們提出了一種基于快速構造無定形納米薄膜前體的簡便策略，用于探索具有良好電子傳導性，超高活性和穩健性的無貴金屬催化劑。作為這種概念的實際證明，研究團隊利用高能氬合成了沉積在導電鎳泡沫（NF）基板（SCFP-NF）上的具有弱化學鍵的非晶SrCo_0.85Fe_0.1P_0.05O_3-δ（SCFP）納米薄膜前體。使用等離子體破壞晶體SCFP靶中的強化學鍵。快速重建的SCFP-NF雙功能催化劑在550mV的過電位下具有高達1000 mA mg^-1的超高質量活性，在10 mA cm^-2下具有極好的穩定性，最長可達650 h，顯著地超過了貴金屬催化劑。這種策略還被進一步證明是一種通用方法，可用于加速其他材料系統的重建，以獲得各種有效的電催化劑。

【圖文導讀】

圖1. SCFP-NF催化劑的表面形態。

a，b）比例尺分別為20和200nm。無定形SCFP樣品的TEM圖像。c，d）比例尺分別為10和200nm。圖（c）的插圖是無定形SCFP樣品的SAED圖案（比例尺為51nm^-1）。e-i）無定形SCFP樣品的EDX圖像（比例尺為50nm）。

圖2. 催化劑的催化性能。

a）NF底物，SCF-NF，SCFP-NF和RuO_x-NF樣品的OER活性。b）NF底物，SCF-NF，SCFP-NF和Pt-NF樣品的HER活性。c，d）SCER-NF和對照樣品對OER（c）和HER（d）的穩定性試驗。

?圖3. 催化劑形貌與元素化學態分析。

a，b）在OER（a）和HER（b）之后，在10和-10mA cm^-2的電流密度下2分鐘的SCFP-NF的SEM圖像。比例尺分別為200nm和1μm。c，d）在OER的第一個LSV之前和之后的Co（c）和Fe（d）的XAS光譜。e，f）在HER的第一個LSV之前和之后的Co（e）和Fe（f）的XAS光譜。

?圖4. 催化劑質量活性對比。

a，b）OER（a）和HER（b）的晶體粉末與NF支持的納米膜之間0.35V過電位的質量活性的比較。

圖5. 材料的水裂解活性與穩定性。

a）幾何區域活動和b）雙功能SCFP-NF催化劑和Pt-NF偶聯RuO_x-NF催化劑的水分解的質量活性。c）在10mA cm^-2的恒定電流密度下的水分解的穩定性試驗。

【小結】

本文證明了通過等離子體濺射導致電催化劑中非晶納米薄膜的形成，并且破壞鈣鈦礦晶格中的化學鍵是電極材料快速重建的一個通用方式，這一方法可以使材料的電催化活性顯著提高。研究指出材料的元素組成，初始晶體結構和結構穩定性對這種活化電催化劑性能的方法影響很小。然而，材料的組成元素確實對重建電極的形態以及其電催化活性具有一定的影響。無定形SCFP-NF催化劑顯示出1000 mA mg^-1的質量活性和650 h的水分解操作穩定性，這優于現有技術的RuO_x-NF偶聯Pt-NF電極，代表著水裂解的重大突破。這種簡便的重建策略有望為其他先進的能量轉換和存儲設備所用，來開發新型的高效催化劑。

?文章鏈接：A Universal Strategy to Design Superior Water-Splitting Electrocatalysts Based on Fast In Situ Reconstruction of Amorphous Nanoflm Precursors. (Adv. Mater. 2018, 1804333)

?本文由材料人編輯部金屬材料學術組 艾超 供稿，材料牛編輯整理。

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