Advanced Energy Materials:钒-钴-铁三金属氮化物的表面重构和相变形成活性羟基氧化物以增强电催化析氧反应

迫切需要开发可再生和环保的能源/技术,以解决环境污染和能源危机。用于生产氢气和氧气的电解水过程被认为是实现该目的有效方法之一。然而,电解水过程中析氧反应(OER)的动力学缓慢,严重阻碍了其在实际应用中的发展。亟需开发具有低成本,高稳定性和高催化活性的OER电催化剂。贵金属氧化物(例如IrO2和RuO2)被广泛用作有效的OER催化剂,但它们的稀缺性和高成本限制了其商业应用。因此,人们一直在努力开发低成本的高效的金属及其化合物作为OER催化剂。

目前报道了基于非贵金属的过渡金属化合物作为OER催化剂,例如硫化物,(羟基)氢氧化物,氧化物,和磷化物。因为他们具有可调的电子结构和丰富的活性位点。近年来,研究者发现3d过渡金属氮化物适合作为OER催化剂由于其高电导率和丰富的活性位点,它优于氧化物,氢氧化物和硫化物。值得注意的是金属氮化物的表面很容易被氧化成氧化物和氢氧化物。例如,在碱性环境中电化学氧化过程中快速的表面重建和相变,催化剂的表面转化为金属羟基氧化物(*OOH)。通常,羟基氧化物被视为活性位点。因此,对相变和表面重建的透彻了解对于弄清催化机理和合理设计OER电催化剂至关重要。

澳门大学应用物理及材料工程研究院潘晖和合作者针对这一问题,设计了一种高效,稳定的电催化剂,该催化剂由负载在镍泡沫(CoVFeN @ NF)上的Co,V和Fe三金属氮化物组成,用于水氧化。 受益于协同效应,多金属体系可以提供良好的电子结构和局部协调环境以增强OER。 重要的是,通过在OER过程中的表面重构和相变,在催化剂表面上引入了催化活性物质-羟基氧化物,从而大大提高了对OER的催化活性。 结果表明,在1 M KOH溶液中,CoVFeN @ NF在10 mA cm-2的电流密度下实现了212 mV的超低过电势,并且Tafel斜率低至34.8 mV dec-1,性能优于商业的RuO2及多数的氮化物。 此外,CoVFeN @ NF催化剂对OER具有长期稳定性,在各种电流密度下均能在100小时内提供稳定的过电势。

研究者相信,通过对多金属系统中的表面重构,相变和机理的深入了解,合理设计具有优异OER活性的新型催化剂的策略可以应用于其他3d多金属体系,作为电解水的OER催化剂。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202002464)上。