Adv. Mater. : 具有高效水氧化性能的六方相梭型赤铁矿

【引言】

电解水是生产作为燃料和化工原料的氢的重要途径之一。非贵金属氧化物电催化剂作为降低过电压且提高能源效率的合适备选，吸引了广泛的研究兴趣。由于赤铁矿(α-Fe₂O₃)具有廉价环保、储量丰富、耐腐蚀等特性，利用其作为产氧反应(OER)电催化剂的前景诱人。然而，α-Fe₂O₃电催化剂很少在OER中使用或显示出较低的超电势(η)，究其原因主要是两方面：1) (110)晶面具有良好的导电性和令人满意的电化学性能，但具备主要反应活性晶面(110)的Fe₂O₃晶体结构较少；2)将助催化剂和掺杂物与Fe₂O₃复合的同时保留其独特的晶体性质、形貌和反应活性，尚无有效且可行的方法。

【成果简介】

近日，澳大利亚昆士兰大学Zhu Zhonghua教授和昆士兰科技大学Kostya Ostrikov教授(共同通讯作者)等制备出具有OER反应主要活性面且成本低廉的六方相八面体赤铁矿，并在Adv. Mater.上发表了题为“Hexagonal Sphericon Hematite with High Performance for Water Oxidation”的研究论文。作者依次将近原子级的Ce物种和镍纳米粒子均匀分布到赤铁矿的选择性位点，继而引发复杂的协同效应，提高了整体催化OER的性能。上述廉价的六方相梭型赤铁矿(Fe≈98%)只需要较低过电势(η)(0.34 V)即可达到10 mA·cm^-2，优于商业IrO₂和昂贵的钴基、镍基和锂基电催化剂。
[致歉：很抱歉，未能找到通讯作者Zhu Zhonghua的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！]

【图文简介】

图1 FC-2和对照Fe₂O₃晶体的形貌和微结构

a) FC-2和Fe₂O₃的XRD谱线；

b,c) 八面体Fe₂O₃的FESEM图像；

d,e) 六方相梭型FC-2的FESEM图像；

f) FC-2 六方相双锥粒子的示意图；

g,h) FC-2的HRTEM图像；

i,j) FC-2沿[001]和[100]轴的选区电子衍射(SAED)图谱。

图2 Ce和Ni在FC-2晶体中的分布

a) FC-2的HAADF-STEM图像；

b-f) FC-2的元素分布图像；

g,h) FC-2的HRTEM图像。

图3 FC-2 电催化剂的OER性能以及和其他电催化剂的性能比较

a) FC-2、Fe-Ce、Fe-Ni和IrO₂的OER线扫曲线(O₂饱和的0.1 M KOH溶液)；

b) FC-2、Fe-Ce、Fe-Ni和IrO₂的Tafel斜率；

c) FC-2、Fe-Ce、Fe-Ni和IrO₂的OER质量活性和位点活性(η = 0.35 V)；

d) FC-2的OER稳定性(O2饱和的0.1 M KOH溶液)。

图4 FC-2通过电荷重新分配和氧空位效应增强电催化活性

a) FC-2和CeO₂的Ce 3d XPS光谱；

b) 样品界面的氧空位浓度；

c) FC-2、Fe₂O₃和CeO₂的O 1s XPS光谱；

d) FC-2、Fe-Ce和Fe-Ni的EIS谱线。

【小结】

研究人员利用简单的溶剂热-浸渍法制备出了Ce-Ni修饰六方八面体赤铁矿(FC-2)，相比对照的α-Fe₂O₃和IrO₂催化剂，在KOH溶液中FC-2的OER性能更加出色。Ce物种和镍纳米粒子均匀分布到赤铁矿的选择性位点引发了复杂的协同效应，提高了整体催化OER的性能。上述廉价的电催化剂具有较低的η(0.34 V)和塔菲尔斜率(45 mV·dec-1)，优于目前报道的非贵金属OER电催化剂。基于六方相梭型赤铁矿(FC-2)且廉价、高活性和稳定的OER电催化剂为开发不同的赤铁矿基催化剂另辟蹊径，有望在多领域中得到应用。

文献链接：Hexagonal Sphericon Hematite with High Performance for Water Oxidation (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201703792)

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