非晶态金属NiFeP兼具宏观导电性和表面活性位点的高效析氧催化剂

构建清洁的环境是人类社会发展的目标之一。寻求清洁高效可持续的非化石新型能源,是解决环境问题和温室气体排放的关键。其中氧气析出反应(OER)在可再生能源转化和储存装置中,如电解水电池、燃料电池和锂空气电池等,具有至关重要的作用。设计电催化剂的基本策略,一是提高活性位点的本征活性,二是提高活性位点的数量。通过对材料缺陷或微观结构的设计与控制,可以提高OER催化剂的催化活性。然而,现有技术的发展和应用的瓶颈在于:随着电催化活性位点数量不断提高,电催化剂在OER反应中表面形成的氧化膜以及催化剂颗粒之间的串联电阻,降低了活性位点上获得电子的能力。如何在提高活性位数量同时维持高效本征活性的性能,是电催化剂材料在设计与制备过程中面临的重大挑战。

AM-hufei

景德镇陶瓷大学胡飞教授与中国科学技术大学熊宇杰教授、同济大学杨晓伟教授、天津大学朱胜利教授合作设计和开发出了一类兼具宏观导电性及表面活性位的非晶态金属催化剂。该方法将熔融金属材料进行高温退火,使其转化为非晶态NiFeP材料。该策略一方面保持了材料的金属特性,具有优异的宏观导电性。另一方面,材料的非晶态特性在其表面构筑了活性位点。该材料通过两者的结合,实现了高密度活性位点和高效电子传输性能的兼顾。该催化剂设计的关键在于催化位点与宏观导电性的调控。其研究表明,元素P可以稳定Ni和Fe元素,形成具有宏观导电性的非晶态金属。非晶态金属中的P与Ni、Fe不饱和键合,使其表面具有高密度活性位点。在此基础上,研究人员通过对元素组分及结晶状态的调整,实现了OER反应的高效催化速率。在该研究中,非晶态金属NiFeP材料在碱性介质中只需319 mV的过电位可以达到10 mA cm-2的OER反应速率;在酸性介质相同条件下需要的过电位为540 mV。该材料的制备和表征同时得到美国阿贡国家实验室和日本东北大学的支持合作。

该工作实现了高密度活性位点的构筑,并维持了本征活性位点的催化活性,为电催化反应提供了一类材料设计及制备的新策略。该研究提出的材料设计思路,凸显了宏观导电性能对电催化材料的重要作用,对宏观尺度上设计和制备电催化材料具有推动作用。相关工作发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201606570)上。

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