樓雄文臧雙全AFM綜述：非貴金屬基析氧反應電催化劑

luna1 4年前 (2020-03-09) 8201瀏覽

【背景】

為了解決能源危機，迫切需要開發低成本、高效率、高強度的OER電催化劑。近年來，非貴金屬基OER電催化劑引起了人們的廣泛關注。本文從OER評價標準的介紹開始，綜述了當前的OER電催化劑，對金屬/合金、氧化物、氫氧化物、硫屬化合物、磷化物、磷酸鹽/硼酸鹽和其他化合物進行了分類，并介紹了它們的優缺點。另外，本文總結了OER的反應機理和實際應用的最新知識，以開發更高效的OER電催化劑。最后，討論了非貴金屬型OER電催化劑的發展現狀、面臨的挑戰和展望。

【成果簡介】

近期，南洋理工大學樓雄文課題組和鄭州大學臧雙全課題組合作在Advanced Functional Materials期刊上發表題為“Non-Noble-Metal-Based Electrocatalysts toward the Oxygen Evolution Reaction”的綜述文章。在本綜述中,我們首先引入OER的評估標準和方法。然后我們總結了最新進展非貴金屬基電催化劑分屬的金屬/合金、氧化物、氫氧化物、硫屬化合物、磷化物、磷酸鹽/硼酸鹽等化合物的分類。此外，為了從理論角度深入了解OER的機制，我們提供了一些關于可能的反應途徑、熱力學標度關系和活性描述因子的討論。還介紹了OER應用的最新進展，如電解水、金屬空氣電池和可逆燃料電池。最后,為了解決能源危機,迫切需要開發低成本,高效率,高強度的析氧反應電催化劑。近年來,非貴金屬基OER電催化劑引起了人們的廣泛關注。摘要從對OER評價標準的介紹開始,綜述了當前的OER電催化劑,對金屬/合金,氧化物,氫氧化物、硫屬化合物,磷化物,磷酸鹽/硼酸鹽和其他化合物進行了分類,并介紹了它們的優缺點。綜述了OER的反應機理和實際應用的最新知識,以開發更高效的OER電催化劑。最后,討論了非貴金屬型OER電催化劑的發展現狀、面臨的挑戰和展望。

【圖文導讀】

  1. OER的評價標準和方法

圖一、OER電催化劑及其評價標準、反應機理和應用

綜述了模型催化劑表面OER的示意圖及其主要研究內容。

  1. 非貴金屬型OER電催化劑的分類

圖二、金屬/合金

  1. A) HCM@Ni-N的制造流程示意圖:(I)甲基咪唑-鎳(MI-Ni)包覆，(II)退火處理，(III)蝕刻處理。RF表示間苯二酚甲醛，MI表示甲基咪唑。
  2. B) HCM@Ni-N納米球的代表性TEM圖像。
  3. C) HCM@Ni-N的原子分辨率的ADF-STEM圖像。
  4. D) HCM@Ni-N的HAADF-STEM圖像。
  5. E) 1.0 M KOH電解液中不同催化劑的OER極化曲線。

圖三、氧化物

A) 生長在B,N-修飾石墨烯片上的CoOx 納米顆粒的制備示意圖。

B) 催化劑在1 M KOH電解液中的OER性能。

C) 1.0 M KOH電解液中不同催化劑的OER極化曲線。

D-F)混合納米材料合成策略:D)氫氣泡協助產生的大孔隙泡沫,E)樹枝狀結構的Cu/CuO納米材料示意圖，和F) (E)放大后的放大區域示意圖, G) 材料的STEM-XEDS圖像(氧是綠色和銅是紅色)。

圖四、氫氧化物

A) Ni83Fe0.17(OH)2納米片的代表性TEM圖像，B) 和HAADF-STEM圖像。C) Ni0.83Fe0.17(OH)2 的HAADF-STEM圖像和相應的的元素分布圖。 D) 1.0 M KOH電解液中不同電催化劑的OER性能。E)分層Ni-Fe LDH中空納米棱柱的形成示意圖。F)單個Ni-Fe LDH空心納米棱柱的HAADF-STEM圖像。G) Ni-Fe LDH空心納米棱柱催化劑的OER極化曲線。

圖五、硫屬化物

A) A-CoS6O0.6 PNC的制作示意圖。B) A-CoS4.6O0.6 PNC的代表性FESEM圖像。C) 1.0 M KOH溶液中不同催化劑的OER極化曲線。D-G)制備Ni-Fe PBA納米籠時，分別在0、1、3、5 min氨蝕刻時間觀察到的產物的TEM圖像。 H)相應的Ni-Fe PBA納米立方體向納米籠結構演化過程的示意圖。I) 1.0 M KOH電解液中六種不同的催化劑的OER極化曲線，J)和相應的Tafel斜率。

圖六、磷化物

A) NiNi- PBA衍生的Ni(OH)2、NiO和Ni-P納米板的制備示意圖。B)單個Ni-P納米板的TEM圖像。C)不同Ni基納米板在0 M KOH電解液中的LSV曲線。 D) Ni-Co-P HNBs制備工藝示意圖:(I)前體合成，(II)退火和蝕刻處理，(III)磷化處理。E) Ni-Co-P HNBs和納米片在1.0 M KOH電解液中的OER極化曲線。F) Fe-Co-P納米盒預催化劑的制備過程示意圖:(I) Fe-Co PBA納米盒的合成，(II)磷酸化過程，(III)催化結構演化。G) Fe-Co-P納米盒的TEM圖像。H)不同電催化劑在1.0 M KOH電解液中的性能。I)多殼混合金屬磷氧化合物顆粒的制備流程。J) 多殼MnCo磷氧化合物顆粒的FESEM圖像 K,L)和 TEM圖像。M)不同催化劑在1.0 M KOH電解液中的OER性能。

圖七、熱力學比例關系和活性描述因子

A) 一系列氧化物OER催化劑的*OOH和*OH吸附能之間的關系。B) OER在理想催化劑上電位為U = 0和U = 1.23 V時的自由能圖。C) OER催化劑上OER活性與.標準自由能之間的關系的火山圖。D) OER過電位(50 μA cm–2)與過渡金屬eg電子占用率之間的關系的火山圖。

圖八、電解水及金屬空氣電池

A) Ni-Co-P HNBs和納米片的全解水極化曲線。A)中的插圖顯示了全解水裝置的照片。B) Ni-Co-P HNBs在62 V (vs RHE)下全解水的I-t曲線。C) 微管狀CoFe磷氧化合物全解水的LSV曲線。D) ZAB的示意圖。E) 應用Pt/C||RuO2和MnO/Co/PGC材料在特別設計的鋅空氣電池中的放電極化曲線和功率密度圖。F)以MnO/Co/PGC為陰極催化劑，電流密度為10 mA cm–2的穩定性測試。

【結論】

本文介紹了OER的一些評價標準，并概述了非貴金屬基OER電催化劑的創新和發展的最新進展。大量地球資源豐富的電催化劑，包括金屬/合金、氧化物、氫氧化物、磷化物、硫化物、硒化物、磷酸鹽/硼酸鹽等，以及它們的復合產物，表現出優越的OER性能。值得慶幸的是，一些OER電催化劑對OER表現出了良好的催化活性(在10 mA cm-2時的過電位<300 mV)和穩定性(在數十小時或數千個循環后的活性衰減可以忽略不計)，特別是在堿性介質中。本文對OER反應機理的當前認知也進行了討論，為OER電催化劑的未來合理設計提供了原子水平的一些見解。另外，本文總結了OER的實際應用的研究進展，包括電解水、金屬空氣電池和可逆燃料電池，向清潔和可持續能源社會邁出了巨大的一步。總的來說，盡管已經取得了可喜的科學成就，但在這一領域仍有許多挑戰需要克服，還有很大的探索空間。

文獻鏈接

Non-Noble-Metal-Based Electrocatalysts toward the Oxygen Evolution Reaction (Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910274)

本文由luna編譯供稿。

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