中南大學劉小鶴Small：層數可控的蛇紋石Ni3Ge2O5(OH)4 納米片用于高效OER反應

Alisa 5年前 (2018-11-30) 3020瀏覽

【引言】

隨著化石燃料消耗的急劇增加，通過電催化分解水(如HER和OER反應)制高附加值可再生能源是一種很有前景的技術。這其中，開發過渡金屬低成本催化劑具有重要的研究價值。蛇紋石結構的鍺酸鹽(M3Ge2O5(OH)4, M = Ni, Fe, Co等) 除了成分中含有大量的過渡金屬元素外，還具有獨特的層狀結構 (由Ge-O四面體層和M-O八面體層通過共用氧原子而組成雙層板結構)，使得電化學過程中電荷的傳輸速度和中間體的吸附脫附過程變得更加容易。鍺元素雖然沒有電催化活性，但是鍺的存在對于蛇紋石結構電極材料的晶體生長和電子能帶起到了重要影響。目前，蛇紋石結構的M3Ge2O5(OH)4已經被用于鋰離子電池、超級電容器等儲能領域，但是在電催化水分解方面卻很少見到相關報道，主要原因是傳統的蛇紋石鍺酸鹽材料的活性位點數較少，從而阻礙了其在電催化領域中的應用。因此，通過采取合理的手段暴露活性位點從而提高M3Ge2O5(OH)4的電催化活性是一種非常有效的方法。

【成果簡介】

近日，中南大學材料科學與工程學院劉小鶴教授、張寧副教授研究團隊與日本國立材料研究所（NIMS）馬仁志教授以及香港城市大學的Vellaisamy A. L. Roy教授合作，通過理論計算和實驗相結合的方法研究了納米層厚度和尺寸可控的蛇紋石Ni3Ge2O5(OH)4納米片的電催化OER性能。作者通過理論計算揭示了少層化的Ni3Ge2O5(OH)4納米片與多片層的Ni3Ge2O5(OH)4納米片相比具有更佳的電催化活性，同時發現少層納米片的(100)晶面與(001)晶面相比擁有更低的OER中間體吸附自由能。根據計算結果，通過調節控制反應溫度成功的合成了不同層數和不同尺寸的Ni3Ge2O5(OH)4納米片，實驗結果表明：低溫下（100oC）可得到厚度為0.7-1.5nm（約1-2層），尺寸約為10?nm的準單層Ni3Ge2O5(OH)4納米片。隨著溫度的升高，當溫度達到180?oC時，得到厚度約為7?nm厚（約10層），尺寸約為50?nm的納米片。單層的Ni3Ge2O5(OH)4納米片表現出了優于多層納米片的OER性能，主要得益于少層、小尺寸的納米片有更高的電化學活性面積以及更多的高活性(100)晶面的暴露。這種通過控制層數和尺寸來增強蛇紋石結構Ni3Ge2O5(OH)4納米片活性位點的策略，為設計高效的水裂解電催化劑提供了一種有效的方法。該研究以題為“Serpentine Ni3Ge2O5(OH)4?Nanosheets with Tailored Layers and Size for Effcient Oxygen Evolution Reactions”發表于Wiley旗下期刊Small上。

【研究亮點】

1.理論計算和實驗結果表明，少層的Ni3Ge2O5(OH)4納米片有更多的高活性(100)晶面，可降低電催化OER吸附中間產物自由能，有助于提升OER反應活性。

2.通過調節合成溫度，成功制備了厚度從1層到10層不同厚度和尺寸的Ni3Ge2O5(OH)4納米片，無需額外剝離過程就可得到準單層的納米片。

3.解決了蛇紋石礦物材料用于電催化劑所面臨的活性位點少的問題，為開發蛇紋石礦物用于電催化材料提供了一種新的方法和思路。

【圖文導讀】

圖1?Ni3Ge2O5(OH)4?納米片的晶體結構和DFT理論計算結果。

（a）Ni3Ge2O5(OH)4納米片的晶體結構，上表面為(001)，側邊為(100)面；（b）多層納米片(001)晶面、少層納米片(001)晶面和(100)晶面上H2O、*OH、*O、*OOH和O2的吸附自由能比較。

圖2?結構和形貌表征

(a) 100oC?(黑)、140oC (紅)和180oC (藍)?溫度下合成出來的樣品的XRD圖譜； (b), (c), (d) 100oC條件下合成的樣品的透射電鏡圖； (e), (f) 140oC條件下合成的樣品的透射電鏡圖;?(g), (h) 180oC條件下合成的樣品的透射電鏡圖。

圖3?OER性能研究

(a) OER極化曲線；(b) 對應的過電位(10mA?cm-2電流密度下的Overpotentail)；(c) 對應的Tafel斜率；(d) 和其他Ni基催化劑的性能對比。(黑: 單層，紅: 5層，藍: 10層)。

圖4?不同層數納米片的電化學活性面積（ECSA）和電化學阻抗分析

（a）電流密度差值與掃描速率的關系；(b) 電化學交流阻抗。(黑:單層，紅: 5層，藍: 10 層)

【小結】

通過合理設計，成功的合成出不同片層厚度的Ni3Ge2O5(OH)4?納米片。這其中，準單層的納米片只有1-2個單片層的厚度和更小的尺寸，可帶來更多的高活性(100)晶面暴露，從而促進了OER反應的明顯提高。這種通過控制層數和尺寸來增強蛇紋石結構Ni3Ge2O5(OH)4納米片活性位點的策略，為設計高效的水裂解電催化劑提供了一種有效的方法。

文獻連接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201803015

Serpentine Ni3Ge2O5(OH)4?Nanosheets with Tailored Layers and Size for Effcient Oxygen Evolution Reactions (Small，20182018，DOI: 10.1002/smll.201803015)

本文由作者團隊供稿，材料人編輯部編輯。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip。

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。

分享到