內蒙古大學王勤Adv. Energy Materials封面.:離子液體調控CoFe2O4尖晶石氧空位加速OER動力學

Alisa 5年前 (2018-10-08) 5436瀏覽

【引言】

隨著化石燃料的日益枯竭，全球性環境問題變得愈發嚴峻，急需開發一種新型環境友好且可再生的能量載體。綠色、可持續的氫能被認為是一種理想的化石能源替代品，而電解水提供了一種大規模制取高純氫的好方法。受限于四電子傳輸的緩慢動力學，陽極的水氧化半反應目前仍是電解水的瓶頸，需要高效的催化劑來加速該類反應的動力學，從而達到在極小的過電位下獲得高催化電流密度。目前RuO2等金屬氧化物表現出最高的水氧化催化活性，但是其儲量低、價格昂貴，極大地限制了其大規模商業化應用，因此開發價格低廉、高效、耐用的非貴金屬電催化劑來加速催化動力學變得至關重要。研究表明，尖晶石鐵氧體由于其多重組成、形貌、特殊的幾何電子結構和表面化學缺陷等特征，在電化學催化領域發揮了重要的作用。本文首次采用離子液體作為摻雜劑，在尖晶石型鐵氧體內部構筑大量氧空位，同時雜原子的表面摻雜可以穩定表面催化活性位點，對其電子結構、OER電催化性能及表面活性位點等進行了深入研究。

【成果簡介】

近日，內蒙古大學化學化工學院王勤教授課題組與中國科學院化學研究所何峰助理研究員、吉林大學無機合成與制備化學國家重點實驗室黃科科教授、蘇州大學材料與化學化工學部李耀文教授合作，在《Advanced Energy Materials》發表有關尖晶石表面氧缺陷調控的研究論文“A Facile Strategy to Construct Amorphous Spinel-based Electrocatalysts with Massive Oxygen Vacancies Using Ionic Liquid-Dopant”?(原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/aenm.201800980)。內蒙古大學是該論文第一作者單位和第一通訊作者單位，2016級碩士研究生孫靜是該論文的第一作者，王勤教授為第一通訊作者，何峰助理研究員為共同通訊作者。

該工作設計合成了一種MoS2團簇原位錨定的、表面雜原子摻雜的MoS2-NPF/CoFe2O4（MNC）異質結納米催化材料。離子液體摻雜劑可以調控尖晶石CoFe2O4催化材料的氧空位，改變其電子結構；MoS2團簇的原位生長，一方面可以固定催化材料表面的雜原子，另一方面可以在其表面生成更多的Fe-N、Co-N等多活性位點。研究結果表明，氧空位的大量存在、大的比表面積以及各組分間的協同誘導效應對提升電催化析氧反應性能起到至關重要的作用。此外，密度泛函理論計算結果表明，表面雜原子的摻雜和MoS2團簇的原位生長，可以降低多電子反應中間過程吉布斯自由能。

【圖文簡介】

圖1 異質結納米催化材料合成示意圖及結構演變圖

  1. a) 催化劑合成示意圖, b-c)XRD圖, d)吸脫附等溫線及孔隙大小分布。

圖2 異質結納米催化材料形貌及表面元素分布

  1. a) CoFe2O4, b) NPF/CoFe2O4, c) MoS2/CoFe2O4的SEM圖；d-e) MoS2/CoFe2O4的TEM圖f) MoS2/CoFe2O4的HAADF-STEM及元素面掃圖。

圖3 異質結納米催化材料電催化性能

  1. a) 催化劑在0 M KOH中的OER性能; b-c) Tafel斜率及其柱狀圖; d) Nyquist圖; e) 雙層電容值; f) 穩定性I-t曲線。

圖4 OER催化過程吉布斯自由能計算

催化劑的吉布斯自由能計算

圖5 OER催化反應機理

 

圖6. 論文封面（Adv. Energy Materials, 2018, 8, 1800980）

【小結】

綜上所述，作者采用溶劑熱法，以離子液體作為摻雜劑，將氧空位、雜原子成功引入到CoFe2O4中，使其由面心立方結構（fcc）轉變為非晶結構；同時在其表面原位生長超小尺寸MoS2納米團簇，以增加其比表面積和表面催化活性位點。該研究制備的富氧氧空位的異質結納米催化材料具有超低的過電位（250 mV）和Tafel斜率（41 mV dec-1），這是目前文獻報道的尖晶石型鐵氧體最優的電催化OER性能。其優異的OER催化性能可歸因于大量的氧空位、非晶結構、大比表面積 (148.9 m2?g-1)，以及表面大量的電催化活性位點（N-Fe、N- Co和P-O等）之間的協同耦合作用。DFT計算結果表明，雜原子和MoS2的存在可以調節OER過程中的電子結構，降低中間過程的吉布斯自由能，這對增強OER性能是非常有利的。本設計不僅提供了一種利用離子液體摻雜劑構筑具有大量氧空位、非晶結構催化劑的簡單策略，而且對堿性溶液中的OER催化機理也進行了深入研究。

【通訊作者簡介】：王勤，內蒙古大學教授，博士生導師，2010年畢業于吉林大學化學學院，獲理學博士學位。現為中國化工學會化工新材料委員會委員，中國化學會會員，中國化工學會會員。獲2016年度內蒙古自然科學一等獎，2017年內蒙古杰出青年培育基金資助，入選內蒙古自治區“草原英才”工程青年創新人才一層次，入選內蒙古自治區“新世紀321人才工程”。在國際著名學術期刊Adv. Energy Mater等發表學術論文50余篇，其中封面和熱點論文6篇，ESI高被引論文2篇。

文獻鏈接：A Facile Strategy to Construct Amorphous Spinel-based Electrocatalysts with Massive Oxygen Vacancies Using Ionic Liquid-Dopant?(Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1800980, DOI: 10.1002/aenm.201800980)

 

本文由內蒙古大學供稿，材料人編輯部Alisa編輯，材料牛整理。

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