CeO2/CoSe2复合纳米带:一种高效氧析出反应电催化剂

Small

氧析出反应(OER)是众多电化学过程尤其是裂解水制备氢气的重要环节。由于其反应动力学缓慢,工业上常用钌或铱等贵金属氧化物作为催化剂,从而大大制约了水解制氢工业的进程。目前,设计并制备廉价、高效、稳定的替代催化剂被认为是实现水解工业商业化的关键。

过渡金属二硫族化合物因其类石墨烯的层状构型、丰富的电子结构以及可调的带隙宽度等特性在光电子器件、能源存储以及光电催化等领域都具有广泛的应用前景。近年来,中国科学技术大学俞书宏教授课题组一直致力于研发基于过渡金属二硫族化合物的新型廉价、稳定高效的光电催化剂。该课题组通过选择一种层状的CoSe2/DETA (二乙烯三胺) 纳米带作为衬底材料,设计了一系列具有优异性能的CoSe2基复合材料催化剂。选择这种CoSe2纳米带作为衬底材料基于其以下几个优点:(1)反应前驱物丰富、成本低廉,可规模生产;(2)高比表面积可以提供充足的活性位点,富含丰富氨基的表面可利于担载其它功能纳米粒子。最近,该课题组成功实现了CoSe2与氧化物CeO2的嫁接,制备了新型的CeO2/CoSe2复合催化剂,性能测试展示了其优异的OER催化活性和稳定性,相关结果发表在近期出版的Small杂志上 (Small 2014, 10, DOI: 10.1002/smll.201401423)。作者通过简单多元醇还原方法,实现了将CeO2这种高效的氧存储材料嫁接到CoSe2纳米带表面并同时保留了CoSe2纳米带的层状结构,而该层状结构有利于催化过程中电子和电解质的传输。尽管CeO2几乎没有OER催化活性,但是利用其亲氧性能,嫁接CeO2后的杂化材料表面展现更好的羟基吸附性能,从而有利于OER关键中间产物在催化剂表面的吸附。此外,光电子能谱分析显示,担载的CeO2与CoSe2衬底之间的化学协同耦合作用也是其优异氧气进化的催化活性的原因之一。该工作通过化学“嫁接”手段,选择廉价的材料,通过材料协同增强效应,为设计和制备非贵金属新型复合催化剂提供了新途径。