吉林大学最新Nat. Commun: >3900 mA cm-2的纳米多孔层状异质结构高效析氧

一、【导读】

   近年来，结合丰富的太阳能和风能的可再生电力为动力的电化学水分解是一种有吸引力的能源转换技术，可用于清洁和大规模的制氢。然而，无论是在碱性水电解槽还是质子交换膜水电解槽中，电解水的能量效率一直很低，这主要是由于析氧反应（OER）动力学缓慢和最先进的OER电催化剂活性不足导致的。因此，这种困境阻碍了电化学水分解技术的广泛实施，特别是在工业中H₂的大规模生产时需要在数千小时内以 < 300 mV 的低过电势提供 > 500 mA cm^-2的高电流密度。 鉴于以往的研究发现多质子-电子耦合OER发生在催化活性位点的固-液-气界面上。理想的阳极材料应具备以下特点：1. 足够的电活性位点（具有较高的本征活性）以促进水氧化反应。2. 合理稳定的电极结构。3. 能促进OH⁻离子和H₂O/O₂分子的电子转移和质量运输。4. 并承受剧烈的气体析出。因此，结合以上特点，为高效实用的工业电解槽开发高活性、坚固性和高成本效益的OER电催化材料是非常迫切的愿望。

二、【成果掠影】

   近日，吉林大学蒋青（Qing Jiang）和郎兴友（Xing-You Lang）教授等人报道一种纳米多孔结构的双金属铁钴合金/氧氢氧化物和铈氧氮化物层状交替异质催化剂（FeCo/CeO_2-xN_x），FeCo/CeO_2-xN_x具有优异的碱性OER电催化反应活性。相关的研究成果以“Lamella-heterostructured nanoporous bimetallic iron-cobalt alloy/oxyhydroxide and cerium oxynitride electrodes as stable catalysts for oxygen evolution”为题发表在Nature Communications上。

三、【核心创新点】

1、作者报告了一种具有三维纳米多孔结构的电催化剂。CoFeOOH/CeO_2− xN_x异质结构界面具有丰富的可接触电化学活性位点，能够促进电子转移和传质。CeO_2− xN_x不仅能够调节CoFeOOH，使其对*OH，*O，*OOH中间体具有接近最佳的吸附能，并且CeO_2− xN_x还具有储氧能力能够吸附生成的O₂。在1 M KOH中实现了优异的OER性能，Tafel斜率仅为~33 mV dec^-1。

2、在360 mV过电势的电流密度下达到>3900 mA cm^-2，而且在1900 mA cm^-2的稳定工作时间长达>1000 h，比RuO₂以及其他代表性的OER催化剂性能更好。

四、【数据概览】

图1 纳米多孔 FeCo/CeO_2− xN_x电极的制备和微观结构。a）说明层状纳米多孔 (NP) FeCo/CeO_2− xN_x复合电极制造过程的示意图。 b）NP FeCo/CeO_2− xN_x复合电极的SEM 图像。c）NP FeCo/CeO_2− xN_x复合电极（粉红色）及其相应的 NP FeCo 合金（蓝色）和 NP CeO_2− xN_x（灰色）的 XRD 图。d）异质结构 FeCo/CeO_2− xN_x界面的HRTEM 图像。e , f ）FeCo合金( e )和CeO_2− xN_x ( f )在 FeCo/CeO_2− xN_x异质结构( d )中选定区域的 FFT 图。g）NP FeCo/CeO_2− xN_x的典型 SEM 图像和相应的 EDS 元素映射图。h）NP FeCo/CeO_2− xN_x电极表面上Ce 3d、Co 2p、Fe 2p、O 1s和 N 1s的高分辨率 XPS 光谱。©2023 The Author(s)

图2复合电极的表面重建。a）纳米多孔(NP) FeCo/CeO_2− xN_x复合电极的典型初始五次OER极化曲线。b）在 1 M KOH 水溶液电解质中NP FeCo/CeO_2− xN_x复合电极之前（浅粉色）和之后（深粉色）的拉曼光谱。c）六次OER 极化曲线后的复合电极NP FeCo/CeO_2− xN_x的Ce 3d 5/2、Co 2p 3/2、Fe 2p 3/2、O 1s和 N 1s高分辨率 XPS 光谱。d）CoFeOOH/CeO_2− xN_x（粉红色）、CoFeOOH/CeO₂（黄色）和 CoFeOOH（蓝色）在1.23 V下 OER 的自由能图。e）OER电催化过程中四个不同阶段的 CoFeOOH/CeO_2− xN_x异质结构的界面构造。©2023 The Author(s)

图3 纳米多孔电极的电化学性质。a）在 O₂充满的1 M KOH 电解质中自支撑纳米多孔 (NP) FeCo/CeO_2− xN_x（粉红色）、FeCo/Ce-O（黄色）、FeCo（蓝色）、CeO_2− xN_x（绿色）、RuO₂的OER 极化曲线。b）自支撑NP FeCo/CeO_2− xN_x， FeCo/Ce-O, FeCo, CeO_2− xN_x , RuO₂ /NF 和 RuO₂ /GC 电极在360 mV过电位下的电流密度比较。c）Tafel图。d）NP FeCo/CeO_2− xN_x、FeCo/Ce-O、FeCo 和 CeO_2− xN_x，RuO₂/NF 和 RuO₂/GC 的 EIS 谱。e） NP FeCo/CeO_2− xN_x电极与先前报道的非贵金属基 OER 催化剂 在300 mV 过电势下的电流密度和Tafel 斜率的比较。©2023 The Author(s)

图4纳米多孔FeCo/CeO_2− xN_x电极的OER性能。a）纳米多孔(NP) FeCo/CeO_2− xN_x电极的氧气体积（粉红色圆点）和法拉第效率（深黄色方块）及理论值（虚线）的比较。b） NP FeCo/CeO_2− xN_x的稳定性测试（电流密度与时间）电极（粉红色方块）在 1.54 V 与 RHE 分别为400 和1000小时。NP FeCo/Ce-O（黄色圆圈）和 NP FeCo（蓝色五边形）电极的稳定性测试在1.81和1.76 V下进行100小时。c ）在相对于 RHE 的 1.54 V 下执行 1000 小时后的NP FeCo/CeO_2− xN_x电极的 Fe、Co、Ce、O 和 N 的典型SEM和EDS元素映射。©2023 The Author(s)

五、【成果启示】

    综上所述，作者通过使用共生金属间化合物薄片作为保形模板，在简便且可扩展的合金化/脱合金化和热氮化过程中开发了分级纳米多孔合金/氮氧化物层板复合电极。FeCo/CeO_2− xN_x令人印象深刻的电化学性能不仅优于市售的 RuO₂和最近报道的一些具有代表性的OER催化剂。而且还有望成为太阳能和风能驱动的大规模电解水制氢的OER电催化剂中最有吸引力的候选者。另外，这种纳米多孔结构催化剂的设计策略能够为其它能源应用的催化剂开发提供新颖的思路和方向。

原文详情： https://doi.org/10.1038/s41467-023-37597-4

本文由K . L撰稿。