表面富含三价镍尖晶石镍钴氧化物诱导镍水合氧化物活性点作为高效能析氧反应材料

析氧反应(水分解的氧化半反应,产物为氧气分子)对于永续能源发展与储能材料运用是一种极重要的化学反应。由于水的氧化反应包含较慢的四电子转移过程,为了有效提高反应进行速度,发展高效能的析氧反应催化剂近年来广泛引起研究人员的兴趣。尖晶石结构的钴氧化物(Co3O4)是一种常见且自然界蕴藏量大的析氧反应催化剂,研究人员发现,在通过适当的过渡金属掺杂(例如:铁、镍、锌、锰等)与形貌表面积的调整,对于水的氧化催化效果能够得到更进一步的提升。

 新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程系刘彬教授与台湾大学化学系陈浩铭教授和合作者通过对钴氧化物掺杂镍的生长过程调控,利用配位基(F, NH4+等)控制镍、钴离子在水热生长过程中的浓度,成功研发出一种表面富含三价镍(Ni3+)的高表面积多阶级(Hierarchical)片状结构镍钴氧化物,通过同步辐射技术的材料分析,发现在此材料中钴同时占据尖晶石结构的氧四面体与氧八面体位置,而镍却只占据着氧四面体位置。此特殊结构氧化物能有效提升析氧反应效率,相关结果已发表在Advanced Energy Materials上。

通过适当的配位基调控反应速率,镍钴氧化物先是生长成多层片状结构,进一步发生表面自我溶解再生成反应,最终生长为多阶级片状物。该团队通过缜密的X光射线光电子能谱与同步辐射X光吸收光谱研究,发现此种新型的催化剂表面富含大量的三价镍元素,在施予电压下进行析氧反应的同时,表面的三价镍元素有助于镍水合氧化物(NiOOH)的生成,此镍水合氧化物被进一步证实为主要的水分解产氧活性点。反之,催化剂内部的钴氧化物对于产氧反应并不具有活性,其主要用途是提升整体材料的导电性与支撑材料结构。

此研究对于生长特殊多阶级结构材料提供了一种新的合成思路,并对于催化剂内金属离子的配位位置与价数调控对于析氧反应的催化性能影响做了深入分析,有望促进新型高效能析氧反应催化剂的发展。Untitled