吉林大學最新Nat. Commun: >3900 mA cm-2的納米多孔層狀異質結構高效析氧

一、【導讀】

? ?近年來，結合豐富的太陽能和風能的可再生電力為動力的電化學水分解是一種有吸引力的能源轉換技術，可用于清潔和大規模的制氫。然而，無論是在堿性水電解槽還是質子交換膜水電解槽中，電解水的能量效率一直很低，這主要是由于析氧反應（OER）動力學緩慢和最先進的OER電催化劑活性不足導致的。因此，這種困境阻礙了電化學水分解技術的廣泛實施，特別是在工業中H₂的大規模生產時需要在數千小時內以 < 300 mV 的低過電勢提供 > 500 mA cm^-2的高電流密度。?鑒于以往的研究發現多質子-電子耦合OER發生在催化活性位點的固-液-氣界面上。理想的陽極材料應具備以下特點：1. 足夠的電活性位點（具有較高的本征活性）以促進水氧化反應。2. 合理穩定的電極結構。3. 能促進OH^?離子和H₂O/O₂分子的電子轉移和質量運輸。4. 并承受劇烈的氣體析出。因此，結合以上特點，為高效實用的工業電解槽開發高活性、堅固性和高成本效益的OER電催化材料是非常迫切的愿望。

二、【成果掠影】

? ?近日，吉林大學蔣青（Qing Jiang）和郎興友（Xing-You Lang）教授等人報道一種納米多孔結構的雙金屬鐵鈷合金/氧氫氧化物和鈰氧氮化物層狀交替異質催化劑（FeCo/CeO_2-xN_x），FeCo/CeO_2-xN_x具有優異的堿性OER電催化反應活性。相關的研究成果以“Lamella-heterostructured nanoporous bimetallic iron-cobalt alloy/oxyhydroxide and cerium oxynitride electrodes as stable catalysts for oxygen evolution”為題發表在Nature Communications上。

三、【核心創新點】

1、作者報告了一種具有三維納米多孔結構的電催化劑。CoFeOOH/CeO_2??xN_x異質結構界面具有豐富的可接觸電化學活性位點，能夠促進電子轉移和傳質。CeO_2??xN_x不僅能夠調節CoFeOOH，使其對*OH，*O，*OOH中間體具有接近最佳的吸附能，并且CeO_2??xN_x還具有儲氧能力能夠吸附生成的O₂。在1 M KOH中實現了優異的OER性能，Tafel斜率僅為~33 mV dec^-1。

2、在360 mV過電勢的電流密度下達到>3900 mA cm^-2，而且在1900 mA cm^-2的穩定工作時間長達>1000 h，比RuO₂以及其他代表性的OER催化劑性能更好。

四、【數據概覽】

圖1 納米多孔 FeCo/CeO_2??xN_x電極的制備和微觀結構。a）說明層狀納米多孔 (NP) FeCo/CeO_2??xN_x復合電極制造過程的示意圖。 b）NP FeCo/CeO_2??xN_x復合電極的SEM 圖像。c）NP FeCo/CeO_2??xN_x復合電極（粉紅色）及其相應的 NP FeCo 合金（藍色）和 NP CeO_2??xN_x（灰色）的 XRD 圖。d）異質結構 FeCo/CeO_2??xN_x界面的HRTEM 圖像。e?,?f?）FeCo合金(?e?)和CeO_2??xN_x (?f )在 FeCo/CeO_2??xN_x異質結構(?d?)中選定區域的 FFT 圖。g）NP FeCo/CeO_2??xN_x的典型 SEM 圖像和相應的 EDS 元素映射圖。h）NP FeCo/CeO_2??xN_x電極表面上Ce 3d、Co 2p、Fe 2p、O 1s和 N 1s的高分辨率 XPS 光譜。?2023 The Author(s)

圖2復合電極的表面重建。a）納米多孔(NP) FeCo/CeO_2??xN_x復合電極的典型初始五次OER極化曲線。b）在 1 M KOH 水溶液電解質中NP FeCo/CeO_2??xN_x復合電極之前（淺粉色）和之后（深粉色）的拉曼光譜。c）六次OER 極化曲線后的復合電極NP FeCo/CeO_2??xN_x的Ce 3d?5/2、Co 2p?3/2、Fe 2p?3/2、O 1s和 N 1s高分辨率 XPS 光譜。d）CoFeOOH/CeO_2??xN_x（粉紅色）、CoFeOOH/CeO₂（黃色）和 CoFeOOH（藍色）在1.23 V下 OER 的自由能圖。e）OER電催化過程中四個不同階段的 CoFeOOH/CeO_2??xN_x異質結構的界面構造。?2023 The Author(s)

圖3 納米多孔電極的電化學性質。a）在 O₂充滿的1 M KOH 電解質中自支撐納米多孔 (NP) FeCo/CeO_2??xN_x（粉紅色）、FeCo/Ce-O（黃色）、FeCo（藍色）、CeO_2??xN_x（綠色）、RuO₂的OER 極化曲線。b）自支撐NP FeCo/CeO_2??xN_x， FeCo/Ce-O, FeCo, CeO_2??xN_x?, RuO₂?/NF 和 RuO₂?/GC 電極在360 mV過電位下的電流密度比較。c）Tafel圖。d）NP FeCo/CeO_2??xN_x、FeCo/Ce-O、FeCo 和 CeO_2??xN_x，RuO₂/NF 和 RuO₂/GC 的 EIS 譜。e） NP FeCo/CeO_2??xN_x電極與先前報道的非貴金屬基 OER 催化劑?在300 mV 過電勢下的電流密度和Tafel 斜率的比較。?2023 The Author(s)

圖4納米多孔FeCo/CeO_2??xN_x電極的OER性能。a）納米多孔(NP) FeCo/CeO_2??xN_x電極的氧氣體積（粉紅色圓點）和法拉第效率（深黃色方塊）及理論值（虛線）的比較。b）?NP FeCo/CeO_2??xN_x的穩定性測試（電流密度與時間）電極（粉紅色方塊）在 1.54 V 與 RHE 分別為400 和1000小時。NP FeCo/Ce-O（黃色圓圈）和 NP FeCo（藍色五邊形）電極的穩定性測試在1.81和1.76 V下進行100小時。c?）在相對于 RHE 的 1.54 V 下執行 1000 小時后的NP FeCo/CeO_2??xN_x電極的 Fe、Co、Ce、O 和 N 的典型SEM和EDS元素映射。?2023 The Author(s)

五、【成果啟示】

? ? 綜上所述，作者通過使用共生金屬間化合物薄片作為保形模板，在簡便且可擴展的合金化/脫合金化和熱氮化過程中開發了分級納米多孔合金/氮氧化物層板復合電極。FeCo/CeO_2??xN_x令人印象深刻的電化學性能不僅優于市售的 RuO₂和最近報道的一些具有代表性的OER催化劑。而且還有望成為太陽能和風能驅動的大規模電解水制氫的OER電催化劑中最有吸引力的候選者。另外，這種納米多孔結構催化劑的設計策略能夠為其它能源應用的催化劑開發提供新穎的思路和方向。

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原文詳情： https://doi.org/10.1038/s41467-023-37597-4

本文由K . L撰稿。