新颖的高活性析氧催化剂 — 三金属NiFeCr水滑石材料

电化学析氧反应 (Oxygen Evolution Reaction, OER)与许多重要的可再生能源技术息息相关,如电化学分解水和可充电金属-空气电池技术。然而,OER由于其复杂的四电子转移过程和缓慢的反应动力学而备受关注。目前, RuO2、IrO2等贵金属催化剂虽然具有高的OER催化活性,但是其昂贵的成本严重的限制了它们在该领域的发展。因此,众多科研人员致力于发展一种高效、廉价、和稳定的非贵金属基OER催化剂。然而,大多数非贵金属基电催化剂的OER性能依然低于双金属NiFe 水滑石材料。如何设计出具有高内在活性和持久稳定性并且能够超越NiFe 水滑石催化性能的OER电催化剂成为当前该领域的研究重点和难点。

最近,美国威斯康星大学麦迪逊分校的金松 (Song Jin) 教授科研团队在设计新型高内在活性的OER催化剂方面取得了重大进展。该工作使用简单的一步水热合成法制备出了三金属NiFeCr水滑石材料。多价金属元素Cr的嵌入提升了整个材料体系的导电性,加强了多价金属元素Ni、Fe、和Cr之间的相互作用从而显著的增强了OER催化剂的内在催化活性。为了进一步提升该材料的OER催化性能,他们将该材料原位生长在经过亲水性处理的高表面积碳纤维纸上构成一体化的三维电极。在碱性OER条件下,该三维电极在电流密度为 25 mA cm-2时的过电势只有225 mV。此外,他们还使用X射线光电子能谱、电子顺磁共振技术、和X射线能量散射谱系统的研究了该材料在OER反应前后的化学组分稳定性。研究结果表明该材料对于OER不但具有高内在催化活性,而且具有良好的稳定性。此项工作为未来设计和研究更加高效和稳定的OER催化剂提供了普适性策略。

相关工作以Very Important Paper (VIP)的形式发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201703189)上,文章第一作者为重庆大学化学化工学院博士生杨阳。