Advanced Energy Materials:FeOOH纳米片的形成诱导高价Ni掺杂CeO2-x用于高效水氧化反应

电化学水分解制氢、燃料电池和金属空气电池技术的发展可以有效解决目前所面临的环境和能源问题,而析氧反应(OER)是其中的关键一步。析氧反应涉及到4电子的转移过程,因而需要消耗大量的能量来克服其反应动力学能垒。开发出廉价且高效的OER催化剂将大大降低这些技术的成本,从而促进其广泛应用。非贵金属电催化剂特别是Ni基催化剂由于其成本较低且活性较高而受到了研究者的青睐。Ni的通常价态为+2,而高价的Ni(+3和+4)具有更高的产氧本征活性。不过稳定的高价Ni的合成比较困难,往往需要高温高压或者加入有机添加剂而导致过程多而能耗高。

针对上述问题,北京大学深圳研究生院杨世和教授团队的於俊博士等人及合作者,以富氧空位的CeO2-x为基底,通过Lewis酸刻蚀法一步合成了一种新型的高价Ni(Ni3+/Ni4+)掺杂CeO2-x和FeOOH纳米片异质结高效OER催化剂,该催化剂表现出了出色的本征产氧活性和高的TOF。CeO2-x中的氧空位促进了电子从Ni转移到Ce,是高价Ni形成的关键。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202002731)上。

我们的上一个工作(ChemSusChem 2020, 13, 1-8)已经证实了富含氧空位的CeO2-x比本征CeO2具有更强的电子传导能力。因而,本文以富氧空位的CeO2-x为基底,通过Lewis酸刻蚀法一步合成了一种新型的高价Ni(Ni3+/Ni4+)掺杂CeO2-x和FeOOH纳米片异质结高效OER催化剂。具体过程为:Fe3+发生水解反应形成羟基氧化物纳米片沉积在CeO2-x基体上,随之而产生的H+刻蚀CeO2-x而导致部分Ce的溶解。进而,Ni2+取代溶解的Ce的位置,同时被CeO2-x中临近的Ce和氧空位氧化成Ni3+/Ni4+。CeO2-x-FeNi催化剂在10mA·cm-2的产氧电流密度下过电势仅为195mV,且具有0.99 s-1的高TOF。这是目前已报道的具有最高活性的含铈OER催化剂,其性能可以与其他镍基顶级OER催化剂相媲美。