Small:离子辐照制备富含氧空位NiO/NiFe2O4异质结电催化剂

近年来能源与环境问题受到了人们的广泛关注,发展清洁能源是研究人员一直关注的重点。氢能由于其能量密度高、燃烧无污染等优点被认为是替代化石燃料的可靠选择。电催化分解水是一种高效、可持续的制氢方法,研究高效、高稳定性的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)催化剂是提高电催化分解水效率的关键。然而,设计同时具备高催化性能和长时间稳定性的OER催化剂仍然是一个很大的挑战。近年来,镍铁基材料因其成本低、储量丰富、活性高等优点,作为优良的OER电催化剂被广泛研究。研究人员发展了如构建异质结构、氧空位调控等方式来提高NiFe基材料的OER催化性能。然而,制备同时具备高性能和高稳定性的NiFe基OER催化剂的研究报道仍很少。离子束技术作为一种独特的材料改性技术,近年来已应用于电催化剂改性并受到广泛关注,包括离子注入掺杂、离子辐照调控空位浓度等(X.Wang, F. Ren, et al., Applied Physics Reviews, 7 (2020) 041303)。

近日,武汉大学任峰教授课题组首次利用离子辐照技术一步制备了富氧空位的NiO/NiFe2O4催化剂,用于高效稳定的电催化分解水。研究结果表明,相对比于原始的NiFe LDH、NiO和NiFe2O4纳米片,该富氧空位NiO/NiFe2O4具有显著增强的HER和OER性能。在电流密度为10 mA cm-2时OER过电位仅为279 mV, Tafel斜率为42 mV dec-1,并且在10 mA cm-2和100 mA cm-2电流密度下分别表现出了长达1200 h和450 h的长期稳定性。表征和理论计算表明其高性能源于NiO/NiFe2O4异质结构的形成增强了OER过程的反应动力学和电荷转移。同时,丰富的氧空位大大增加了催化剂的活性位点数目。

图1 (a) 辐照前后样品的XRD表征。(b) 原始NiFe LDH/Ti的SEM图像。(c-g) 辐照样品ir-2e16的 (c) SEM图像,(d) TEM图像,(e,f) HRTEM图像和(g) SAED图像。
图2 NiO/NiFe2O4 (ir-2e16), NiFe2O4, NiO 和 RuO2的OER性能。(a) LSV曲线,(b) Tafel斜率,(c) 10 mA cm-2过电势和Tafel斜率对比,(d) 阻抗谱和(e) ESCA。(f) NiO/NiFe2O4 (ir-2e16)的稳定性。
图3 (a) NiO/NiFe2O4 (ir-2e16), NiFe2O4和NiO的HER性能。(b) NiO/NiFe2O4 (ir-2e16)的全解水性能。(c) NiO/NiFe2O4 (ir-2e16)的全解水稳定性。
图4 OER过程的(a)单位点和(b)双位点机制。(c) OER过程的不同步骤在NiO/NiFe2O4, NiO (001)面和NiFe2O4 (001)面的反应自由能。

团队利用离子束技术一步制备了富含氧空位的NiO/NiFe2O4异质结构用于电催化分解水。该催化剂相比于纯NiO和NiFe2O4,具有更高效且稳定的OER催化性能和一定的HER催化性能。实验表征与理论计算证明异质结的形成和丰富的氧空位是催化剂催化性能提高的原因。此工作对离子束技术在设计和制备高效且稳定的催化剂的应用具有一定的启示作用。

作者简介

武汉大学物理科学与技术学院博士生钟惠舟和加州大学伯克利分校高国平为本文共同第一作者,武汉大学任峰教授为通讯作者。任峰教授课题组长期从事离子束与固体相互作用及其离子束技术在能源材料领域的应用研究工作,包括用于催化分解水制氢的半导体和金属光/光电/电催化电极的离子束改性、新型先进核反应堆用纳米结构抗辐照核材料的制备和离子束性能评价等。至今在Physical Review Letters,Matter,Applied Physics Reviews,Acta Materialia,Nuclear Fusion,Applied Physics Letters,Journal of Materials Chemistry A,Journal of Nuclear Materials等期刊上发表SCI论文70余篇。

论文信息:

Ion Irradiation Inducing Oxygen Vacancy-Rich NiO/NiFe2O4 Heterostructure for Enhanced Electrocatalytic Water Splitting

Huizhou Zhong, Guoping Gao, Xuening Wang, Hengyi Wu, Shaohua Shen, Wenbin Zuo, Guangxu Cai, Guo Wei, Ying Shi, Dejun Fu, Changzhong Jiang, Lin-Wang Wang, Feng Ren*

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DOI:10.1002/smll.202103501

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202103501