ACS Appl. Mat. Interfaces：无碳尖晶石NiCo2O4催化剂对碱性介质中双功能氧还原和进化的形态控制

【引言】

碱性燃料电池和电解质具有许多优点：对杂质的耐受性高，有利的氧气反应动力学，以及对催化剂的腐蚀性较小。不含铂族金属（PGM）的催化剂在碱性介质中更为理想，并且更有希望完全取代PGM催化剂。在所研究的不含PGM的催化剂中，碳基催化剂的氧析出反应（OER）显示出良好的活性，而氧还原反应（ORR）性能还有待提高。相反，过渡金属氧化物氧还原反应（ORR）活性差。

因此，开发ORR和OER都有活性和稳定的无碳氧化物催化剂是最大的目标。目前，尖晶石型NiCo₂O₄具有良好的活性和稳定性，被认为是一种很有前景的非贵金属催化剂，在电化学应用中引起了人们的广泛关注。尖晶石型NiCo2O4目前的主要研究工作集中在：通过最佳的化学掺杂和调整电子结构来增强其催化活性。

【成果简介】

近日，在纽约州立大学布法罗分校武刚教授带领下，与美国布鲁克海文国家实验室和美国南卡罗来纳大学哥伦比亚分校合作，研究了通过合成三种明显不同的形态的NiCo₂O₄催化剂，分别使用了无模板，Pluronic-123（P-123）软模板和SiO₂硬模板。采用Pluronic-123软模板法制备的花状纳米针状组装NiCo₂O₄催化剂对ORR和OER均表现出最高的催化活性和稳定性。他们系统地研究了NiCo₂O₄的形态控制，阐明双功能氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的催化剂性能依赖于形态。这种有效的形态控制方法使氧化物催化剂产生稳定的结构，以及更好的分散性和活性位点。相关成果以题为“Morphology Control of Carbon-free Spinel NiCo₂O₄ Catalysts for Enhanced Bifunctional Oxygen Reduction and Evolution in Alkaline Media”发表在了ACS Applied Materials & Interfaces上。

【图文导读】

图1. 三种形态NiCo₂O₄催化剂的SEM形貌图

(a) 无模板合成的NiCo₂O₄催化剂；

(b) P-123软模板合成的NiCo₂O₄催化剂；

(c) SiO₂硬模板合成的NiCo₂O₄催化剂的三种形态。

图2. 三种形态NiCo₂O₄催化剂的TEM和HR-TEM图像

(a-d) 无模板辅助NiCo₂O₄催化剂的SAED图案；

(e-h) 软模板辅助NiCo₂O₄催化剂的SAED图案。

图3. Co和Ni均匀分布的软模板NiCo₂O₄的STEM图像和元素映射

图4. 三种不同形态的NiCo₂O₄催化剂的结构图

(a) XRD图；

(b) 拉曼光谱。

图5. 三种不同形态的NiCo₂O₄催化剂的XPS图

(a) Co 2p；

(b) Ni 2p；

(c) O 1s谱图。

图6. 三种不同形貌的NiCo₂O₄催化剂的孔径分布和N₂吸附-脱附等温线图

(a) 孔径分布；

(b) N₂吸附-脱附等温线。

图7. 三种不同形貌的NiCo₂O₄催化剂的电化学性能

（a）ORR稳态极化曲线；

（b）OER稳态极化曲线；

（c）ORR过程的过氧化物产率和电子转移数目；

（d-e）ORR过程处于高电位区和低电位区的Tafel图。

（f）OER过程处于低过电位的Tafel图。

图8. 三种不同形貌的NiCo₂O₄催化剂的阻抗图

（a）ORR过程中电荷转移的阻抗；

（b）OER过程中电荷转移的阻抗。

图9. 三种不同形貌的NiCo₂O₄催化剂的稳定性测试

（a-c）分别是软模板、无模板和硬模板NiCo₂O₄催化剂的ORR稳定性测试；

（d-f）分别是软模板、无模板和硬模板NiCo₂O₄催化剂的OER稳定性测试。

【小结】

该团队展示了P-123-模板可以产生具有独特纳米针簇组装的NiCo₂O₄催化剂，其显示出增强的ORR / OER活性和稳定性。多孔纳米针簇由许多具有高比表面积和大量中孔和大孔的NiCo₂O₄单晶组成。重要的是，最佳的P-123模板法可以产生具有高尖晶石结晶度的NiCo₂O₄单晶，并且给出Ni与Co的理论化学计量比（即1：2），从而通过提高电导率和催化性能来促进结构完整性。

武刚教授简介

武刚教授2004年在哈尔滨工业大学完成了博士学位，之后在清华大学、南卡罗莱纳州和洛斯阿拉莫斯国家实验室完成博士后工作。2010-2014年在洛斯阿拉莫斯国家实验室参加了近5年的科研工作，2014年8月起担任纽约州立大学布法罗分校化学与生物工程系助理教授。他的研究主要集中在电化学能量储存和转换的功能材料和催化剂。2010年论文被Electrochemistry Communications 评为十大被引论文，2013年论文跻身化学领域的前十大引文，2015年论文在ACS Catalysis 排名评比为最高的1％。目前已有18篇高被引论文和1篇热点论文。

文献链接：Morphology Control of Carbon-free Spinel NiCo2O4 Catalysts for Enhanced Bifunctional Oxygen Reduction and Evolution in Alkaline Media（ACS Appl. Mat. Interfaces, 2017, DOI: 10.1021/acsami.7b16389 ）

本文由材料人编辑部新人组木文韬编译供稿，赵飞龙审核，点我加入编辑部。

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