Small Structures: 无模板法构建Fe掺杂CoO纳米空心管用于高效电催化析氧

为应对日益严重的能源危机和环境污染挑战,迫切需要由传统化石燃料向可持续能源转型。电解水具有高效、零碳排放的优点,是极具前景的能源存储与转换技术。析氧反应(Oxygen Evolution Reaction, OER)是电解水中的关键环节。OER涉及复杂的四电子反应过程,化学动力学缓慢,通常需要催化剂的辅助以提高效率。贵金属催化剂如IrO2和RuO2具有优异的OER催化性能。但是贵金属资源稀缺、价格昂贵,导致此类催化剂的实际应用受限。钴基金属氧化物具有高催化活性、低成本的优势,作为OER电催化剂引起了研究者的广泛关注。通过对钴基金属氧化物进行合理的结构设计和组分调控,能有效提高催化剂的催化活性。但是,从合成方法的角度出发,如何基于简便、可控的合成路线,同时实现催化剂结构和组分的双重调节仍存在挑战。

中科院化学所曹安民与广西师范大学林茜颉邱建华等开展了合作研究,相关工作聚焦于CoO 基材料的结构调控,通过无需模板的合成路线获得了Fe掺杂的CoO纳米空心管,对其OER催化优化提供了可靠策略。合成方法上,首先控制湿化学反应,基于沉淀反应设计,调控沉淀过程获得同时含有Fe、Co双金属的有机-无机复合物;以此作为前驱体,通过焙烧处理即可获得Fe掺杂CoO纳米空心管(Fe-CoO NT)。该合成方案无需使用模板剂即可实现空心结构的构建,并同时实现不同离子对CoO本体的均匀掺杂,获得结构可控、组分明确的催化剂模型体系;同时,Fe-CoO NT的空心结构赋予了材料较大的比表面积,为OER过程提供了更多的催化活性位点和较短的传输路径;此外, Fe的引入有效改善了CoO的电子结构,提高了材料的催化性能。该Fe-CoO NT对OER展现出较好的催化活性和循环稳定性,在1 M KOH中10 mA cm-2时的过电势为282 mV,Tafel斜率为78.26 mV dec-1。该工作对于OER高效催化剂的设计和制备具有良好的参考价值和借鉴意义。

图1:Fe-CoO NT的形貌和结构表征。(a) SEM图, (b) TEM图, (c) 元素分布图, (d) XRD图。从形貌、结构表征分析结果可知,所制备的Fe-CoO NT具有良好的空心管状结构和均匀的元素分布。

图2:Fe-CoO NT的XPS图。(a) XPS全谱, (b) Co 2p, (c) Fe 2p, (d) O 1s。

图3:不同催化剂在1 M KOH中的OER性能。(a) 线性扫描伏安曲线, (b) 过电势对比图, (c) Tafel斜率, (d) 阻抗图。CoO NT代表CoO纳米空心管,CoO NP代表CoO纳米颗粒。从性能结果可知,所制备Fe-CoO NT的OER性能要优于CoO NT和CoO NP,并接近RuO2,证明了合理的结构、组分设计对催化剂性能的有效提升。

曹安民,中国科学院化学研究所研究员,国家杰出青年基金获得者,博士生导师。研究方向为纳米能源化学、电极材料表界面调控等。

邮箱:anmin_cao@iccas.ac.cn

林茜颉,广西师范大学化学与药学学院讲师,硕士生导师,博士毕业于中国科学院化学研究所。主要研究方向为新型二次电池电极材料的设计及应用、多功能纳米材料的设计及应用。

邮箱:linxijie@mailbox.gxnu.edu.cn

邱建华,广西师范大学化学与药学学院教授,硕士生导师。主要研究方向为高分子可控聚合过程及其对纳米材料的可控修饰、膜分离科学及其膜过程应用。

邮箱:qiujianhua@gxnu.edu.cn

论文信息:

Facile Synthesis of Fe-Doped CoO Nanotubes as High-Efficient Electrocatalysts for Oxygen Evolution Reaction

Fan Tang, Sijie Guo, Yonggang Sun, Xijie Lin*, Jianhua Qiu*, Anmin Cao*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100211

原文链接:https://doi.org/10.1002/sstr.202100211