蘇州大學黃小青團隊Angew. Chem. Int. Ed.：實現高效析氧反應的雙鈣鈦礦LaFexNi1-xO3納米棒催化

【引言】

為滿足可再生能源的高需求，設計高效、經濟的電化學能源轉化催化劑迫在眉睫。析氧反應是是許多可再生能源技術的關鍵步驟。然而，由于多步質子耦合電子轉移，OER的動力學是緩慢的。IrO₂和RuO₂等催化劑被認為是OER最活躍的催化劑，但它們的稀有性和高成本阻礙了它們的進一步實際應用。最近，具有通式ABO₃的鈣鈦礦氧化物，因其可以容納多種組分和結構，可進一步調優化其性能而受到越來越多的關注。其中策略通常為改善表面積（SA）和增強內在活性。而對于雙鈣鈦礦（AA’BB’O6），A或B陽離子被不同的陽離子取代，可以產生增強的性質，其中B位點被其他TMs替代是將d帶中心調節到費米能級（EF）的有效方法。雖然已經取得了進展，但設計結構和組成可控的雙鈣鈦礦作為活性、穩定性和成本效益高的OER催化劑仍然是一項挑戰。

【成果簡介】

近日，在蘇州大學黃小青教授團隊（通訊作者）帶領下，與湖南師范大學合作，證明雙鈣鈦礦LaFe_xNi_1-xO₃（LFNO）納米棒（NRs）可以作為高活性和穩定的OER電催化劑。在Ni/Fe比為8：2的優化下，LFNO-II NRs在10 mA cm^-2下具有302 mV的低過電位和50 mV dec^-1的低Tafel斜率，優于商業Ir/C。LFNO-II NRs也顯示出高OER穩定性，20小時后電流略有下降。進一步研究表明，活性增強的原因是表面積的改善、電子結構的定制以及O與Ni的強雜化。相關成果以題為“Double Perovskite LaFe_xNi_1-xO₃?Nanorods Enable Efficient Oxygen Evolution Electrocatalysis”發表在了Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖1?LFNO?NRs的物理性能表征

（a）LFNO NRs的晶體模型。

（b）LFNO-I?NRs，LFNOII?NRs和LFNO-III NRs的XRD圖譜。插圖顯示衍射峰隨Fe濃度增加而移動。

（c-e）分別為LFNO-I?NRs（c），LFNO-II?NRs（d）和LFNO-III NRs（e）的SEM圖像。

（f-h）分別為LFNO-II NRs的TEM圖像（f），HRTEM圖像（g）（插圖顯示FFT模式）和STEM-EDS（h）元素分布圖。

圖2?LFNO NRs的XPS光譜表征

（a-d）分別為LFNO NRs的Fe 2p（a）和La 3d（b），Ni 2p（c）和Ni 2p_3/2（d）的XPS光譜。

圖3?LFO NRs和LNO NRs的OER電化學表征

（a）LFO NRs，LNO NRs的OER的LSV曲線。

（b）LFO NRs，LNO NRs和商業Ir/C的OER的Tafel圖。

圖4?各種LFNO NRs的OER電化學表征

（a）各種LFNO NRs和商業Ir/C的OER的LSV曲線。

（b）不同LFNO NRs在1.55V（vs.RHE）時的電流密度和在10mA cm^-2時的過電位。

（c）不同催化劑的塔菲爾圖。

（d）LFNO-II NRs和商用Ir/C在1.53V（vs.RHE）下的計時電流曲線。

圖5?不同催化劑的OER活性及機制

（a）LFNO-I，LFNO-II和LFNO-III NRs的電流密度與ECSA的關系。

（b）在1.55 V (vs. RHE)下的電流密度與不同LFNO NRs的ECSA進行了對比，并估算了相同ECSA下LFNO-II NRs的活性。

（c）LNO，LFNO-I，LFNO-II和LFNO-III NRs的價帶光電子能譜。白色條顯示d帶中心。

（d）金屬氧化物的常規OER機制。

（e）LNO，LFNO-I，LFNO-II和LFNO-III NRs在10mA cm^-2下的OER活性與E-E_f參數的函數關系。

【小結】

總之，團隊已經證明了一系列雙鈣鈦礦納米棒作為OER的高效和穩定的催化劑。 將Fe精確地引入鈣鈦礦LNO NRs中，可以得到OER活性的雙鈣鈦礦LFNO NRs。最活躍的催化劑LFNO-II NRs在10 mA cm^-2時的過電位僅為302 mV，Tafel斜率為50 mV dec^-1，甚至優于商用Ir/C。雙鈣鈦礦LFNO NRs對OER具有高耐久性，在連續電解20小時后具有輕微的活性衰減。表面VBS研究表明，引入Fe后，LFNO NRs的d帶中心接近E_f，吸附物與LFNO NRs之間有較強的結合，增強了其固有的OER活性。這項工作為設計更有效的OER鈣鈦礦型催化劑以及其他潛在的電催化提供了有效的策略。

文獻鏈接：Double Perovskite LaFe_xNi_1-xO₃?Nanorods Enable Efficient Oxygen Evolution Electrocatalysis（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI:10.1002/anie.201812545）

本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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