铁组分诱导精细调控CoOOH材料的形貌和结构,构筑石墨烯负载高活性OER催化剂

电解水制氢是一种重要的洁净能源技术,其中,阳极析氧(OER)半反应动力学过程极度缓慢,是限制电解水过程之整体动力学性能和效率的瓶颈性因素之一。因此,设计构筑廉价且高效稳定的新结构OER电催化剂,在世界范围内成为一个研究的热点和难点。总体而言,提高催化剂OER活性的措施主要有两个,其一,调控材料的形貌和结构,最大程度地在电催化剂上创造更多的活性位点;其二,采用掺杂策略,调变和优化催化剂的电子结构,提高电催化的整体效率。迄今为止,如何设计并进一步优化电催化材料的结构,解耦并诠释材料的本征催化行为,提升OER活性中心的数量,最终实现电催化效率的跃升,始终是国内外高度关注的一个重要课题。

AEM

针对上述问题,大连理工大学邱介山教授领导的能源材料化工辽宁省创新团队开展了比较系统的研究,包括:基于同步强化离子扩散与电荷转移过程的策略,构筑石墨烯基OER催化剂 (Adv. Mater. Interfaces, 2016, 3, 1500782); 基于碳纤维诱导调控策略,可控构筑CoNi水滑石纳米阵列集成OER电极 (Carbon, 2016, 110, 1-7); 基于过渡金属磷化物微/纳结构的调变,合成石墨烯负载过渡金属磷化物高效水分解催化剂 (J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 16028; ChemElectroChem, 2016, 3, 719, 刊物正封面); 利用Fe组分精细调控Ni磷化物的形貌和电子结构,合成出整体式高活性全解水电极材料 (Nano Energy, 2017, 34, 472-80)。 在此基础上,他们提出了一种精细调控CoOOH微/纳结构、构筑高活性OER催化剂的新策略。以CoFeAl水滑石-石墨烯复合结构材料为前驱体,采用化学刻蚀的方法,基于Fe组分的诱导和调控作用,将微米CoOOH材料转变为活性位数量显著提升且电子结构得到精细调控的Fe掺杂的CoOOH纳米颗粒,揭示了负载于石墨烯之上的CoOOH纳米颗粒的本征催化行为。石墨烯的协同作用,助推CoOOH纳米颗粒之析氧活性和性能的提升。在碱性条件下,仅需330 mV便可达到10 mA cm-2的电流密度,具有远优于贵金属RuO2的析氧性能。研究发现,CoOOH的结构演变对Fe物种超强“敏感”,在Fe的诱导作用下,微米尺度的水滑石(~2 µm)被转变成纳米尺度的Fe掺杂CoOOH颗粒(~10 nm),与此同时,材料的活性位数量有显著提升,且其电子结构得到精细的调变。在这个复合材料体系中,石墨烯作为导电基体,兼具分散活性物种和形成相互交联导电网络的双重功能,助推提升了Fe-CoOOH活性组分的水分解性能。第一性原理计算研究表明,这种石墨烯负载Fe-CoOOH催化剂对水分解反应中间产物有显著增强的吸附能力,从理论层面上初步揭示了高效电催化析氧的原因和机制。

该工作的学术思路和技术方法,一定程度上有助于解决目前困扰OER阳极催化剂之设计和精细制备的问题,对其他高活性催化材料之结构的设计和优化亦有一定的借鉴价值。相关工作以全文形式发表于Advanced Energy Materials, 2017, DOI:10.1002/aenm.201602148上。

Speak Your Mind

*