楼雄文臧双全AFM综述：非贵金属基析氧反应电催化剂

luna1 5年前 (2020-03-09) 9990浏览

【背景】

为了解决能源危机，迫切需要开发低成本、高效率、高强度的OER电催化剂。近年来，非贵金属基OER电催化剂引起了人们的广泛关注。本文从OER评价标准的介绍开始，综述了当前的OER电催化剂，对金属/合金、氧化物、氢氧化物、硫属化合物、磷化物、磷酸盐/硼酸盐和其他化合物进行了分类，并介绍了它们的优缺点。另外，本文总结了OER的反应机理和实际应用的最新知识，以开发更高效的OER电催化剂。最后，讨论了非贵金属型OER电催化剂的发展现状、面临的挑战和展望。

【成果简介】

近期，南洋理工大学楼雄文课题组和郑州大学臧双全课题组合作在Advanced Functional Materials期刊上发表题为“Non-Noble-Metal-Based Electrocatalysts toward the Oxygen Evolution Reaction”的综述文章。在本综述中,我们首先引入OER的评估标准和方法。然后我们总结了最新进展非贵金属基电催化剂分属的金属/合金、氧化物、氢氧化物、硫属化合物、磷化物、磷酸盐/硼酸盐等化合物的分类。此外，为了从理论角度深入了解OER的机制，我们提供了一些关于可能的反应途径、热力学标度关系和活性描述因子的讨论。还介绍了OER应用的最新进展，如电解水、金属空气电池和可逆燃料电池。最后,为了解决能源危机,迫切需要开发低成本,高效率,高强度的析氧反应电催化剂。近年来,非贵金属基OER电催化剂引起了人们的广泛关注。摘要从对OER评价标准的介绍开始,综述了当前的OER电催化剂,对金属/合金,氧化物,氢氧化物、硫属化合物,磷化物,磷酸盐/硼酸盐和其他化合物进行了分类,并介绍了它们的优缺点。综述了OER的反应机理和实际应用的最新知识,以开发更高效的OER电催化剂。最后,讨论了非贵金属型OER电催化剂的发展现状、面临的挑战和展望。

【图文导读】

  1. OER的评价标准和方法

图一、OER电催化剂及其评价标准、反应机理和应用

综述了模型催化剂表面OER的示意图及其主要研究内容。

  1. 非贵金属型OER电催化剂的分类

图二、金属/合金

  1. A) HCM@Ni-N的制造流程示意图:(I)甲基咪唑-镍(MI-Ni)包覆，(II)退火处理，(III)蚀刻处理。RF表示间苯二酚甲醛，MI表示甲基咪唑。
  2. B) HCM@Ni-N纳米球的代表性TEM图像。
  3. C) HCM@Ni-N的原子分辨率的ADF-STEM图像。
  4. D) HCM@Ni-N的HAADF-STEM图像。
  5. E) 1.0 M KOH电解液中不同催化剂的OER极化曲线。

图三、氧化物

A) 生长在B,N-修饰石墨烯片上的CoOx 纳米颗粒的制备示意图。

B) 催化剂在1 M KOH电解液中的OER性能。

C) 1.0 M KOH电解液中不同催化剂的OER极化曲线。

D-F)混合纳米材料合成策略:D)氢气泡协助产生的大孔隙泡沫,E)树枝状结构的Cu/CuO纳米材料示意图，和F) (E)放大后的放大区域示意图, G) 材料的STEM-XEDS图像(氧是绿色和铜是红色)。

图四、氢氧化物

A) Ni83Fe0.17(OH)2纳米片的代表性TEM图像，B) 和HAADF-STEM图像。C) Ni0.83Fe0.17(OH)2 的HAADF-STEM图像和相应的的元素分布图。 D) 1.0 M KOH电解液中不同电催化剂的OER性能。E)分层Ni-Fe LDH中空纳米棱柱的形成示意图。F)单个Ni-Fe LDH空心纳米棱柱的HAADF-STEM图像。G) Ni-Fe LDH空心纳米棱柱催化剂的OER极化曲线。

图五、硫属化物

A) A-CoS6O0.6 PNC的制作示意图。B) A-CoS4.6O0.6 PNC的代表性FESEM图像。C) 1.0 M KOH溶液中不同催化剂的OER极化曲线。D-G)制备Ni-Fe PBA纳米笼时，分别在0、1、3、5 min氨蚀刻时间观察到的产物的TEM图像。 H)相应的Ni-Fe PBA纳米立方体向纳米笼结构演化过程的示意图。I) 1.0 M KOH电解液中六种不同的催化剂的OER极化曲线，J)和相应的Tafel斜率。

图六、磷化物

A) NiNi- PBA衍生的Ni(OH)2、NiO和Ni-P纳米板的制备示意图。B)单个Ni-P纳米板的TEM图像。C)不同Ni基纳米板在0 M KOH电解液中的LSV曲线。 D) Ni-Co-P HNBs制备工艺示意图:(I)前体合成，(II)退火和蚀刻处理，(III)磷化处理。E) Ni-Co-P HNBs和纳米片在1.0 M KOH电解液中的OER极化曲线。F) Fe-Co-P纳米盒预催化剂的制备过程示意图:(I) Fe-Co PBA纳米盒的合成，(II)磷酸化过程，(III)催化结构演化。G) Fe-Co-P纳米盒的TEM图像。H)不同电催化剂在1.0 M KOH电解液中的性能。I)多壳混合金属磷氧化合物颗粒的制备流程。J) 多壳MnCo磷氧化合物颗粒的FESEM图像 K,L)和 TEM图像。M)不同催化剂在1.0 M KOH电解液中的OER性能。

图七、热力学比例关系和活性描述因子

A) 一系列氧化物OER催化剂的*OOH和*OH吸附能之间的关系。B) OER在理想催化剂上电位为U = 0和U = 1.23 V时的自由能图。C) OER催化剂上OER活性与.标准自由能之间的关系的火山图。D) OER过电位(50 µA cm–2)与过渡金属eg电子占用率之间的关系的火山图。

图八、电解水及金属空气电池

A) Ni-Co-P HNBs和纳米片的全解水极化曲线。A)中的插图显示了全解水装置的照片。B) Ni-Co-P HNBs在62 V (vs RHE)下全解水的I-t曲线。C) 微管状CoFe磷氧化合物全解水的LSV曲线。D) ZAB的示意图。E) 应用Pt/C||RuO2和MnO/Co/PGC材料在特别设计的锌空气电池中的放电极化曲线和功率密度图。F)以MnO/Co/PGC为阴极催化剂，电流密度为10 mA cm–2的稳定性测试。

【结论】

本文介绍了OER的一些评价标准，并概述了非贵金属基OER电催化剂的创新和发展的最新进展。大量地球资源丰富的电催化剂，包括金属/合金、氧化物、氢氧化物、磷化物、硫化物、硒化物、磷酸盐/硼酸盐等，以及它们的复合产物，表现出优越的OER性能。值得庆幸的是，一些OER电催化剂对OER表现出了良好的催化活性(在10 mA cm-2时的过电位<300 mV)和稳定性(在数十小时或数千个循环后的活性衰减可以忽略不计)，特别是在碱性介质中。本文对OER反应机理的当前认知也进行了讨论，为OER电催化剂的未来合理设计提供了原子水平的一些见解。另外，本文总结了OER的实际应用的研究进展，包括电解水、金属空气电池和可逆燃料电池，向清洁和可持续能源社会迈出了巨大的一步。总的来说，尽管已经取得了可喜的科学成就，但在这一领域仍有许多挑战需要克服，还有很大的探索空间。

文献链接

Non-Noble-Metal-Based Electrocatalysts toward the Oxygen Evolution Reaction (Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910274)

本文由luna编译供稿。

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