陜西科技大學ACS Catalysis: NiFe層狀雙氫氧化物的氧配位結合Ru單原子增強水氧化

一、【導讀】

? 析氧反應（OER）是一種涉及緩慢反應動力學的四電子轉移反應，在許多正在發展的清潔能源技術中起著非常重要的作用，包括海水整體電解、電催化二氧化碳還原反應、堿性鋅空氣電池和氫燃料電池等。這促使我們研究和開發高效穩定的電催化劑，以加快OER的反應速率。在眾多OER電催化劑中NiFe層狀雙氫氧化物（LDH）因其高催化活性和低成本而被廣泛認為是基準催化劑。

? 研究表明，負載的貴金屬單原子（SAs）或納米團簇可以通過有利的金屬-載體界面相互作用和電子結構的優化重排有效地提高OER性能。值得注意的是，NiFe-LDH具有靈活的二維層狀晶體結構、可調的化學成分和豐富的活性位點，是穩定孤立貴金屬原子的理想載體。因此，將貴金屬單原子錨定在NiFe-LDH載體上是一個非常有實際意義的研究。

二、【成果掠影】

? 近日，陜西科技大學劉昭鐵教授團隊成功通過氧配位將Ru SAs分散固定在二維層狀NiFe雙氫氧化物納米結構上（表示：^SARu/NiFe LDH）。^SARu/NiFe LDH展現出出色的整體OER性能。相關的研究成果以“ Enhancing Water Oxidation of Ru Single Atoms via Oxygen-Coordination Bonding with NiFe Layered Double Hydroxide”為題發表在ACS Catalysis上。

三、【核心創新點】

? 1、作者通過二維層狀NiFe-LDH納米結構中的氧配位成功固定Ru SAs。Ru作為OER活性位點促進電子重排，且優化了催化劑和中間體的結合能，從而提高OER的本征活性

? 2、基于Ru SAs和NiFe-LDH之間的協同作用，^SARu/NiFe LDH顯示出優異的OER催化活性。在10 mA cm^-2的電流密度下，它只需要196mV的過電勢。這是迄今為止包含單原子成分的最有效OER催化劑之一。

四、【數據概覽】

圖1 ^SARu/NiFe LDH的合成工藝及材料表征。(a)合成過程說明。(b) HRTEM圖像和SAED圖。(c) HAADF-STEM圖像和相應的Ni、Fe、Ru的初等映射。(d) AC-STEM圖像(Ru單個原子用紅圈標記)。(e) ^SARu/NiFe LDH和參考樣品的Ru k-edge XANES光譜。(f) 不同Ru樣品中Ru K-edge的XANES光譜得到的Ru價態。(g)來自(e)的FT- EXAFS光譜。(h) EXAFS R -空間擬合。? 2023 ACS publication

圖2兩種LDH樣品的XPS, (a) Ni 2p，(b) Fe 2p，(c) Ru 3p和(d) O 1s。 ? 2023 ACS publication

圖3 ^SARu/NiFe LDH、NiFe LDH和商業RuO₂粉末在堿性介質中的OER活性。(a)經IR校正的CV。(b) Tafel圖。(c) Cdl。三種改性電極的(d)η10、(e) Tafel斜率和(f) C_dl的誤差值。誤差條是至少三次實驗的標準差。(g)在RRDE上^SARu/NiFe LDH的盤電流和環電流。(h) ^SARu/NiFe LDH的法拉第效率測試。(i) ^SARu/NiFe LDH在10 mA cm^-2下超過8小時的電化學耐久性測試。催化劑用量:~ 130 μg cm^–2。? 2023 ACS publication

圖4 ^SARu/NiFe LDH@NF電極的OER性能和穩定性。(a)IR校正的LSV曲線。(b) Tafel圖。(c) Cdl。(d) η10、Tafel斜率和C_dl的誤差值。(e) ^SARu/NiFe LDH@NF在恒定10 mA cm^-2下超過24小時的穩定性測量；插圖表示OER測量前后的SEM圖像。^SARu/NiFe LDH@NF電極電化學穩定性測量前后的XPS（(f) Ni 2p、(g) Fe 2p和(h) Ru 3p）。(i) OER 測試前后基本介質中金屬 Ru的ICP-AES數據。? 2023 ACS publication

圖5 兩種LDH催化劑(001)面的理論計算。(a) ^SARu/NiFe LDH和(b) NiFe LDH材料的結合四電子OER機制圖。(c) ^SARu/NiFe LDH的Ru位和NiFe LDH的Fe位的吉布斯自由能圖；*Ru、*Fe為活性位。(d) ^SARu/NiFe LDH與Ru位點的電荷密度差異。鉻黃和青色等高線分別代表電子的增益和損失。? 2023 ACS publication

五、【成果啟示】

? 綜上所述，作者成功通過簡單的溶液化學還原法將Ru SAs錨定在二維NiFe LDH納米結構上提高了傳統NiFe LDH催化劑的本征活性。這項研究為將來設計和合成高效的單原子甚至多原子催化劑提供了一條通用途徑。

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原文詳情： https://doi.org/10.1021/acscatal.2c05624

本文由K . L撰稿。