武漢理工大學麥立強教授EEM ：用于實現高效氧氣釋放的具有中等金屬-氧共價鍵的超薄金屬硅酸鹽氫氧化物納米片

youyoucao 2年前 (2021-12-09) 2129瀏覽

近日，武漢理工大學麥立強教授團隊在Energy & Environmental Materials上發表題為"Ultrathin Metal Silicate Hydroxide Nanosheets with Moderate Metal-Oxygen Covalency Enables Efficient Oxygen Evolution."的研究論文。第一作者為博士生朱杰鑫，通訊作者為德國不來梅大學Lyudmila V. Moskaleva教授和武漢理工大學周亮教授、麥立強教授。作者以超薄層狀硅酸鹽M3Si2O5(OH)4為研究對象，探索了其電化學析氧（OER）活性規律以及活性描述符。通過電化學測試發現三種典型過渡金屬（Fe、Co、Ni）層狀硅酸鹽呈現出的OER活性規律為Co基>Fe基>Ni基。結合理論和實驗分析，作者認為層狀硅酸鹽的OER活性由金屬–氧的共價鍵強度（MOC）決定，當MOC強度適中（既不太強也不太弱時），活性位點對反應物的吸附符合薩巴蒂爾規律，達到優化的吸附能力，呈現出更佳的活性。

引言

析氧反應（OER）因其較慢的動力學和較大的過電勢阻礙了電解水的進一步發展。目前常用的電催化劑為RuO2和IrO2等貴金屬氧化物，但其高昂的價格和低儲量難以實現電解水的大規模推廣。層狀硅酸鹽在地殼中儲量豐富，且其結構與羥基氧化物十分類似，而CoOOH、FeOOH等羥基氧化物已被廣泛用于OER電催化劑研究，并且表現出優異的活性。因此，層狀硅酸鹽理論上也具有較好的OER活性。然而，對影響層狀硅酸鹽OER活性的主要因素（即描述符）的研究缺失，阻礙了我們對OER催化劑的理性選擇和設計。
本文研究

本工作中，作者結合理論和實驗揭示了層狀硅酸鹽OER催化活性和電子結構間的構效關系。作者首先通過簡單的水熱法合成了Fe、Co、Ni基三種層狀硅酸鹽納米片，因其晶體結構和形貌類似，可用于研究其本征活性。在三種層狀硅酸鹽中，Co基硅酸鹽表現出最佳的OER活性，達到1和10 mA cm–2的電流密度僅需要287和358 mV的過電勢。通過變溫磁化率實驗發現Co基硅酸鹽具有較為合適的eg軌道填充度以及合適的[3dz2/2p]和[3dx2-y2/2p]態密度比例，因此具有較為合適的MOC。通過對一系列尖晶石型氧化物的eg軌道電子數分析發現，層狀硅酸鹽的OER活性與eg軌道電子數也呈現火山圖相關性，在eg軌道電子數大約為1.2時具有最佳的MOC，從而表現出更優異的OER活性。該工作對層狀硅酸鹽在OER中的應用具有重要的指導作用。

圖文簡介

 

圖1.?a）層狀硅酸鹽的晶體結構圖；b）硅酸鈷的高分辨TEM圖；c）硅酸鈷的EDX mapping圖；d-e）硅酸鈷的AFM圖；f）硅酸鈷的TEM圖和丁達爾效應光學照片。

圖2. 三種硅酸鹽的OER性能。a）LSV曲線；b）Tafel斜率；c）比表面積較正后的活性圖以及TOF；d）ECSA分析；e）過電勢、Tafel斜率以及TOF比較；f）穩定性。

圖3.?a）變溫磁化率圖；b）從變溫磁化率計算所得的有效磁矩和eg軌道電子數；c）Co2+、Fe2+、Ni2+的分子軌道電子占位示意圖；d）三種硅酸鹽與一系列尖晶石型氧化物的eg軌道電子數和OER活性的關系。

圖4.?a）金屬3dz2-band、M 3dx2-y2-band和O?p-band的PDOS圖；b）三種硅酸鹽的[3dz2]/[2p]和[3dx2-y2/2p] 比例；c）在10 μA cm?2處的ir校正電勢與硅酸鹽的[3dz2]/[2p]比例關系圖；d）O-K邊XAS圖以及prepeak的歸一化強度與O?p帶中心到費米能級距離的關系圖；e）O2-TPD圖；f-h）原位拉曼圖。

文章鏈接

Jiexin Zhu, Shikun Li, Zechao Zhuang, Shan Gao, Xufeng Hong, Xuelei Pan, Ruohan Yu, Liang Zhou*, Lyudmila V Moskaleva*, Liqiang Mai*. Ultrathin Metal Silicate Hydroxide Nanosheets with Moderate Metal-Oxygen Covalency Enables Efficient Oxygen Evolution.?Energy Environ. Mater.?2021. DOI: 10.1002/eem2.12155.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12155

作者簡介

 

麥立強，武漢理工大學材料學科首席教授，博士生導師，武漢理工大學材料科學與工程學院院長，英國皇家化學學會會士，國家重點研發計劃“納米科技”重點專項總體專家組成員、國家“十四五”材料領域重點專項指南編制專家。2004年在武漢理工大學獲工學博士學位，隨后在美國佐治亞理工學院（2006-2007）、哈佛大學（2008-2011）、加州大學伯克利分校（2017）從事博士后、高級研究學者研究。2014年獲國家杰出青年科學基金資助，2016年入選教育部長江學者特聘教授和國家“萬人計劃”領軍人才。

主要研究方向為納米儲能材料與器件。構筑了國際上第一個單根納米線固態儲能器件，創建了原位表征材料電化學過程的普適新模型，率先實現了高性能納米線電池及關鍵材料的規模化制備和應用。發表SCI論文380篇，以第一或通訊作者發表Nature?1篇，Nature子刊9篇。獲國家自然科學獎二等獎（第一完成人）、何梁何利基金科學與技術創新獎（青年獎）、科睿唯安全球高被引科學家、教育部自然科學一等獎（第一完成人）、英國皇家化學會中國高被引作者、中國青年科技獎、光華工程科技獎（青年獎）、湖北省自然科學一等獎（第一完成人）、侯德榜化工科學技術獎（青年獎）、國際電化學能源科學與技術大會卓越研究獎，入選“國家百千萬人才工程計劃”，并被授予“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號，享受國務院政府特殊津貼。任J. Energy Storage副主編，Adv. Mater.、Chem. Rev.客座編輯，Acc. Chem. Res.、Joule、ACS Energy Lett.、Adv. Electron. Mater.、Small國際編委，Nano Res.、Sci. China Mater.編委。

本文由EEM期刊投稿。

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