富缺陷超薄δ-MnO2纳米片阵列高效电催化全分解水

随着化石燃料的日渐枯竭和环境问题的日趋严重,对可再生清洁能源的需求将在未来50-100年内大幅增加,而电催化全分解水产氢气和氧气是解决这一能源环境问题的潜在策略。然而,由于同时实现析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的全分解水历程在热力学上的限制,许多电催化剂仍然需要较高过电位,这极大地阻碍了电催化全分解水的发展。因此,开发同时具备高效HER和OER能力的双功能电催化剂具有重要的意义。

近年来,大量研究结果表明二维(2D)层状材料在HER和OER中具有成本低、性能优异和稳定性高等特点,被认为有望取代传统的Pt,IrO2和RuO2等贵金属电催化剂。然而,2D层状材料普遍存在的导电性差以及表面暴露活性位点低等缺点,抑制了其电催化性能的进一步提升。因此,开发新的方法来提升2D层状材料的导电性及表面暴露活性位点具有重要的科学意义。

AENM-zhangtierui

中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员和南京信息工程大学的滕飞教授采用新颖的原位生长法,开发了一种新型高效的双功能电催化剂。这种电催化剂是由泡沫镍作为基底原位生长超薄δ-MnO2纳米片阵列制备获得的。与一般的电催化剂相比,它具有高暴露的电催化反应活性位点及显著提升的导电性,促使其在HER和OER电催化反应体系中均体现出优异的催化性能(10 mA cm-2电流密度下分别具有197和320 mV的低过电位,以及62和40 mV/dec的塔菲尔斜率)。为了更深入细致的研究这种电催化材料的本征特性,通过精细结构的分析(EXAFS)和密度泛函理论(DFT)的计算,我们发现其优越的催化性能主要源自于超薄δ-MnO2纳米片含有大量氧空位。氧空位的存在导致超薄δ-MnO2的具有了特殊的半金属性质,并同时促进了催化剂在反应过程中对水分子吸附。

本文提出的通过引入缺陷来提高电催化剂的能量转换效率的新方法,为开发新型高效催化剂提供了新的研究思路。相关研究工作已发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700005)上。