陕西科技大学ACS Catalysis: NiFe层状双氢氧化物的氧配位结合Ru单原子增强水氧化

一、【导读】

  析氧反应（OER）是一种涉及缓慢反应动力学的四电子转移反应，在许多正在发展的清洁能源技术中起着非常重要的作用，包括海水整体电解、电催化二氧化碳还原反应、碱性锌空气电池和氢燃料电池等。这促使我们研究和开发高效稳定的电催化剂，以加快OER的反应速率。在众多OER电催化剂中NiFe层状双氢氧化物（LDH）因其高催化活性和低成本而被广泛认为是基准催化剂。

  研究表明，负载的贵金属单原子（SAs）或纳米团簇可以通过有利的金属-载体界面相互作用和电子结构的优化重排有效地提高OER性能。值得注意的是，NiFe-LDH具有灵活的二维层状晶体结构、可调的化学成分和丰富的活性位点，是稳定孤立贵金属原子的理想载体。因此，将贵金属单原子锚定在NiFe-LDH载体上是一个非常有实际意义的研究。

二、【成果掠影】

  近日，陕西科技大学刘昭铁教授团队成功通过氧配位将Ru SAs分散固定在二维层状NiFe双氢氧化物纳米结构上（表示：^SARu/NiFe LDH）。^SARu/NiFe LDH展现出出色的整体OER性能。相关的研究成果以“ Enhancing Water Oxidation of Ru Single Atoms via Oxygen-Coordination Bonding with NiFe Layered Double Hydroxide”为题发表在ACS Catalysis上。

三、【核心创新点】

  1、作者通过二维层状NiFe-LDH纳米结构中的氧配位成功固定Ru SAs。Ru作为OER活性位点促进电子重排，且优化了催化剂和中间体的结合能，从而提高OER的本征活性

  2、基于Ru SAs和NiFe-LDH之间的协同作用，^SARu/NiFe LDH显示出优异的OER催化活性。在10 mA cm^-2的电流密度下，它只需要196mV的过电势。这是迄今为止包含单原子成分的最有效OER催化剂之一。

四、【数据概览】

图1 ^SARu/NiFe LDH的合成工艺及材料表征。(a)合成过程说明。(b) HRTEM图像和SAED图。(c) HAADF-STEM图像和相应的Ni、Fe、Ru的初等映射。(d) AC-STEM图像(Ru单个原子用红圈标记)。(e) ^SARu/NiFe LDH和参考样品的Ru k-edge XANES光谱。(f) 不同Ru样品中Ru K-edge的XANES光谱得到的Ru价态。(g)来自(e)的FT- EXAFS光谱。(h) EXAFS R -空间拟合。© 2023 ACS publication

图2两种LDH样品的XPS, (a) Ni 2p，(b) Fe 2p，(c) Ru 3p和(d) O 1s。 © 2023 ACS publication

图3 ^SARu/NiFe LDH、NiFe LDH和商业RuO₂粉末在碱性介质中的OER活性。(a)经IR校正的CV。(b) Tafel图。(c) Cdl。三种改性电极的(d)η10、(e) Tafel斜率和(f) C_dl的误差值。误差条是至少三次实验的标准差。(g)在RRDE上^SARu/NiFe LDH的盘电流和环电流。(h) ^SARu/NiFe LDH的法拉第效率测试。(i) ^SARu/NiFe LDH在10 mA cm^-2下超过8小时的电化学耐久性测试。催化剂用量:~ 130 μg cm^–2。© 2023 ACS publication

图4 ^SARu/NiFe LDH@NF电极的OER性能和稳定性。(a)IR校正的LSV曲线。(b) Tafel图。(c) Cdl。(d) η10、Tafel斜率和C_dl的误差值。(e) ^SARu/NiFe LDH@NF在恒定10 mA cm^-2下超过24小时的稳定性测量；插图表示OER测量前后的SEM图像。^SARu/NiFe LDH@NF电极电化学稳定性测量前后的XPS（(f) Ni 2p、(g) Fe 2p和(h) Ru 3p）。(i) OER 测试前后基本介质中金属 Ru的ICP-AES数据。© 2023 ACS publication

图5 两种LDH催化剂(001)面的理论计算。(a) ^SARu/NiFe LDH和(b) NiFe LDH材料的结合四电子OER机制图。(c) ^SARu/NiFe LDH的Ru位和NiFe LDH的Fe位的吉布斯自由能图；*Ru、*Fe为活性位。(d) ^SARu/NiFe LDH与Ru位点的电荷密度差异。铬黄和青色等高线分别代表电子的增益和损失。© 2023 ACS publication

五、【成果启示】

  综上所述，作者成功通过简单的溶液化学还原法将Ru SAs锚定在二维NiFe LDH纳米结构上提高了传统NiFe LDH催化剂的本征活性。这项研究为将来设计和合成高效的单原子甚至多原子催化剂提供了一条通用途径。

原文详情： https://doi.org/10.1021/acscatal.2c05624

本文由K . L撰稿。