Nano Lett：NiFe LDH结合氧化态及金属态Rh全解水

youyoucao 5年前 (2019-12-05) 7677浏览

【引言】

清洁和可再生的氢能有望通过取代传统的化石燃料实现全球能源体系的深度脱碳。以氢燃料电池为动力的汽车，如丰田Mirai和现代ix35，已经实现大规模生产以与汽油和电动汽车竞争。从地球上丰富的水中电解生产氢是最有前途的方法之一。电化学水分解包含两个关键的半反应，即析氧反应(OER)和析氢反应(HER)。传统上，两个不同的电催化剂分别优化其中一个半反应应用于电解槽的两个电极。使用不同的催化剂需要不同的工艺/设备，因此增加了系统的复杂性和成本。此外，电解过程中两个电极之间可能存在的交叉污染也阻碍了催化剂与活性之间关系的研究。因此，开发具有活性和鲁棒性的水裂解制氢双功能电催化剂变得有必要。

【成果简介】

NiFe层状双金属氢氧化物（LDH）在碱性条件下具有优异的析氧反应（OER）性能，是潜在的双功能全解水催化剂。然而，由于NiFe LDH上较弱的氢吸附，其析氢反应（HER）性能极差。近日，爱荷华州立大学Shan Hu、耶鲁大学Hailiang Wang、宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco等通过结合Rh物种和NiFe LDH不仅可以提高显著HER的动力学，而且不会降低OER性能。意外的是，水热合成的材料中Rh是以氧化的掺杂物和金属团簇 (平均尺寸约0.8 nm，由同步辐射计算）的形式存在于NiFe LDH中。由于金属态Rh团簇尺寸极小且高度分散，因此常规表征手段（XRD 和XPS）难以检测到。研究人员发现，在HER过程中，表面氧化态的Rh会被还原成金属态，金属Rh团簇与NiFe LDH之间存在强相互作用从而显著促进了HER动力学。OER过程中，表面的Rh-Rh金属键会被打断。DFT计算结果表明，当Rh离子替换Fe离子时，其主要活性中心变为Rh位点而不再是Fe位点。在1M KOH电解质中，仅需要58mV的过电位催化HER获得10 mA cm^-2的电流密度，且该催化剂在电流密度为10 - 100 mA cm^-2仅需要1.46 - 1.7 V驱动。