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高效抑制電催化劑循環(huán)中活性元素成分流失

作者:宋檢 時間:2022-12-12 來源:互聯(lián)網(wǎng)

析氧反應(yīng)(OER)是光/電解水和金屬空氣電池等新能源存儲與轉(zhuǎn)化器件的關(guān)鍵半反應(yīng)。發(fā)展廉價高效的OER電催化劑,進一步降低電*過電勢,提升器件能量效率是非常具有挑戰(zhàn)性的課題。材料缺陷工程能夠調(diào)節(jié)催化劑的電負(fù)性、電荷分布以及配位環(huán)境,被認(rèn)為是一種有效提升催化劑性能的策略。設(shè)計新型缺陷結(jié)構(gòu),營造新的活性位形式,有望進一步優(yōu)化既有催化材料的催化性能。

 

近日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書宏團隊和高敏銳課題組通過對傳統(tǒng)普魯士藍(lán)(PBA)材料進行氮氣等離子體轟擊,成功研制了一種富含氰基空位的高效OER催化劑。研究發(fā)現(xiàn),這種氰基空位不僅能夠調(diào)節(jié)PBA材料的局域電子結(jié)構(gòu)和金屬配位環(huán)境,還能夠高效抑制鐵活性物種在電循環(huán)過程中的流失,自重構(gòu)形成高活性的NiFeOOH活性層,從而展現(xiàn)優(yōu)異的OER活性和穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果以Unconventional CN vacancies suppress iron-leaching in Prussian blue analogue pre-catalyst for boosted oxygen evolution catalysis 為題,于6月26日發(fā)表在《自然-通訊》上(Nature Communications 2019, 10, 2799)。論文的共同**作者是中國科大博士后余自友、博士生段玉和特任副研究員劉建黨。

 

研究人員以鉬酸鎳納米棒為模板,**制備出多孔的鎳鐵基PBA材料,隨后對其進行氮氣等離子體轟擊,即可得到富含有氰基空位的PBA催化劑。通過多種表征手段,例如高分辨透射電鏡、正電子湮滅技術(shù)、元素含量分析以及尾氣吸收檢測等,確認(rèn)這種新型氰基空位的形成(圖1)。

 

電化學(xué)測試顯示,經(jīng)過氮氣等離子體轟擊60分鐘的PBA樣品(PBA-60)表現(xiàn)出*好的OER活性,其起始過電勢為225 mV,在電流密度為10 mA/cm2時的過電勢為283 mV,遠(yuǎn)優(yōu)于其它高效的OER催化劑,如NiFe-LDH和商業(yè)Ir/C等(圖2a, b)。結(jié)構(gòu)分析表明,PBA-60高的OER活性來源于氰基空位誘導(dǎo)產(chǎn)生的不飽和鎳鐵位點。研究人員進一步發(fā)現(xiàn),不含氰基空位的PBA材料(PBA-0)的鐵活性物種會逐漸溶解到電解液中。與之形成鮮明對比的是,PBA-60中的氰基空位會大幅度抑制鐵活性物種的流失,從而在OER循環(huán)過程中自重構(gòu)形成高活性的NiFeOOH表面活性層,進而導(dǎo)致優(yōu)異的OER活性和穩(wěn)定性(圖2c, d)。

 

該研究工作提供了一種新的制備高活性鎳鐵羥基氧化物的策略,并為發(fā)展新的缺陷類型提供了新的借鑒,為今后設(shè)計更加高效的氧析出反應(yīng)催化劑提供了嶄新的思路。

 

相關(guān)研究受到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點項目、中科院前沿科學(xué)重點研究項目、中科院納米科學(xué)**創(chuàng)新中心、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心等的資助。

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