Advanced Materials:有机小分子激活过渡金属成为高效析氧电催化剂

开发低成本、高效和耐用的析氧反应(OER)电催化剂是规模化电解水制氢的重要挑战之一。虽然贵金属基催化剂对OER具有显著的催化活性,但其高成本和资源有限限制了大规模使用。大多数基于廉价过渡金属的催化剂仍然存在一定的问题,例如在大电流密度下工作,其催化活性和寿命仍有待提高。此外,常见的高OER 活性铁系含氧材料(如氧化物、氢氧化物等)导电性低,需要与高导电材料结合并解决容易从基底上剥离脱落的问题,以满足大电流下稳定工作的需要。因此,开发可规模化制备的简便方法,实现可在大电流下稳定工作的高活性、低成本OER 催化剂具有重要意义。

近日,湖南大学的黄维清教授与中国科学院化学研究所的江浪研究员和胡劲松研究员课题组发现通过有机小分子(如六溴苯,HBB等)处理可以直接使商购过渡金属材料如泡沫镍,泡沫铁和泡沫镍铁等成为高活性的OER电催化剂。系统研究发现HBB热处理可以在泡沫金属表面直立生长类石墨烯碳纳米片阵列,同时诱导基底金属发生固相迁移,形成纳米筛状金属网络镶嵌在碳片中(图a-c)。通过深入探究过渡金属的固相迁移机制,发现这种纳米结构的形成与HBB中的溴相关。结果表明类石墨烯碳纳米片中的过渡金属含量随着溴含量的增加而增加。利用不含溴的小分子蒽制备样品,表面碳薄膜中并未检测到金属的迁移。说明纳米筛状金属网络的形成是溴诱导的固相迁移所致。

这种特殊的结构作为OER催化剂具有如下优点:1)过渡金属原子直接从基底固相迁移形成功能纳米结构,其间的紧密连接不仅保证了高效的电荷传输,从而有利于高电流密度下的稳定运行,而且使材料具有优良的机械稳定性;2)纳米筛状金属网络与三维纳米片阵列结构可以暴露更多的有效活性位点;3)直接生长在泡沫金属基底上的类石墨烯薄膜不仅可以有效保护其不受腐蚀,而且在OER过程中比其他碳基底具有更好的抗氧化性;4)三维纳米片阵列结构有利于生成气体的快速逸出;5)该方法简便、通用、高效,可使不同泡沫金属直接转化成高性能电催化剂。电化学测试表明这种功能化的泡沫金属具有优异的碱性OER催化活性。例如处理的泡沫镍铁在电流密度为100和1000 mA cm-2时相应的过电位仅为208 和270 mV。

该研究工作发展了一种 “自上而下” 的固相迁移方法,利用有机小分子直接活化商购过渡金属材料使其成为高性能OER催化剂,为直接将块体过渡金属转化为纳米功能材料提供了一种新的策略,或许为规模化制备高性能电催化剂提供一种新的思路。相关论文在线发表在Adv. Mater.(DOI: 10.1002/adma.201906015),题为Organic Small Molecule Activates Transition Metal Foam for Efficient Oxygen Evolution Reaction。