Advanced Energy Materials:电子结构和形貌双调控FeCoNi层状双氢氧化物析氧电催化剂

多种能量存储和能量转换系统需要高效的析氧电催化剂,如水分解装置和金属-空气电池等。然而,由于阳极析氧反应动力学缓慢,阴极析氢反应受到严重限制。因此,在高电流密度下开发具有高活性和长期稳定性的OER电催化剂面临巨大挑战。LDHs具有较高的OER活性,但在催化反应过程中,阳离子的溶解和再沉积显著降低了催化剂的活性和稳定性。

图1. FeCoNi-LDHs合成示意图和EDX元素映射,以及各阶段所合成材料的透射图。

哈尔滨工程大学朱春玲、陈玉金教授团队,杭州师范大学黄又举教授,温州大学侴术雷教授等在室温条件下,以金属有机框架ZIF-67为前驱体,通过阳离子交换策略,实现了LDHs的微观结构和电子结构双调控,获得了对OER具有高活性和长期稳定性的FeCoNi-LDH电催化剂。所制备的FeCoNi-LDHs具有纳米笼状结构,其框架由超薄的层状氢氧化物纳米片组装而成。其中空结构有利于催化过程中的质量传输,超薄的纳米片结构使FeCoNi-LDHs能够暴露出更多的活性位点。同时,在合成过程中,Cl离子被引入LDHs的层间,扩大了层间距,增加了FeCoNi-LDHs的比表面积和孔体积,从而对纳米笼的OER活性也具有一定的促进作用。密度泛函理论(DFT)计算结果表明,通过阳离子交换引入的Fe离子不仅调控了材料的电子结构,降低了电荷传输电阻,而且提高了纳米笼的亲水性。更为重要的是Fe离子的引入,提升了Co位点的活性,降低了*O形成*OOH的能垒。

电化学测量表明,FeCoNi-LDHs具有较高的活性和长期的稳定性,在碱性介质中,FeCoNi-LDHs在玻璃碳电极上的过电位为269 mV,在析氧反应100 小时后仍保持初始电流密度的96.4%,优于IrO2电催化剂。此外,该合成策略操作简单,在实验室通过单次反应可获得10克以上样品,且批量合成并不影响催化剂的活性,从而为其应用于水分解以及其他能量转换和存储器件提供了实现途径。

图2. FeCoNi-LDHs的电化学性能图

论文信息:

Regulation of Morphology and Electronic Structure of FeCoNi Layered Double Hydroxides for Highly Active and Stable Water Oxidization Catalysts

Xiao Zhang, Feng Yan, Xinzhi Ma, Chunling Zhu*, Yue Wang, Ying Xie, Shu-Lei Chou*, Youju Huang*, Yujin Chen*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202102141

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202102141