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齐鲁工业大学&剑桥大学,Small观点:揭示超薄非晶CoFe(OH)x纳米片表面Co(IV)-O活性位点OER过程中的动态重构

齐鲁工业大学&剑桥大学,Small观点:揭示超薄非晶CoFe(OH)x纳米片表面Co(IV)-O活性位点OER过程中的动态重构 科学材料站
2024-08-27
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导读:齐鲁工业大学和铭、王莹&剑桥大学董超群, Small观点:揭示超薄非晶CoFe(OH)x纳米片表面Co(IV)-O活性位点OER过程中的动态重构



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文 章 信 息


揭示超薄非晶CoFe(OH)x纳米片表面Co(IV)-O活性位点OER过程中的动态重构

第一作者:王莹

通讯作者:董超群*,和铭*

单位:齐鲁工业大学,剑桥大学



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研 究 背 景


高催化效率的析氧反应(OER)的电极对于各种清洁和可持续的能源转换技术至关重要,包括水分解和可充电金属空气电池。过渡金属基氢氧化物作为OER催化剂具有广泛前景。然而,由于固有的结构和形态问题,在反应过程中活性位点的暴露有限,设计高效的过渡金属基氢氧化物面临着挑战。目前通常依赖于使用水热和液体剥离方法构建二维薄纳米结构,这通常涉及苛刻的反应条件、复杂耗时的步骤和低合成收率。这些缺点可以通过使用一步式、可扩展的室温合成策略来缓解。然而,理想情况下具有超薄微观结构、丰富活性位点和优选电子结构的合适材料仍有待建立。另外,过渡基金属氢氧化物在OER过程中的表面活性位点演变和催化机理也需要进一步厘清。



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文 章 简 介


近日,来自齐鲁工业大学的和铭、王莹与剑桥大学的董超群合作,在国际知名期刊Small上发表题为“Unraveling the Dynamic Reconstruction of Active Co(IV)-OSites on Ultrathin Amorphous Cobalt-Iron Hydroxide Nanosheets for Efficient Oxygen-Evolving”的文章。该文章通过在NaCl-CoCl2溶液中对泡沫NiFe一步室温腐蚀法在表面原位生长1nm厚度的超薄非晶CoFe氢氧化物纳米片(CoFe(OH)x-m/NFF),通过原位拉曼和DFT计算,分析了活性位点的动态重构和电催化机理分析。

图1. CoFe(OH)x-m/NFF电极的制备和XRD、SEM表征

图2. 超薄非晶CoFe(OH)x-500纳米片的结构表征

图3. CoFe(OH)x-m/NFF电极的OER性能表征

图4. CoFe(OH)x-m/NFF电极的OER前后的XPS分析,原位拉曼测试以及CV图

图4. DFT模拟计算揭示OER反应路径



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本 文 要 点


要点一:我们的研究通过利用腐蚀工程来促进超薄非晶钴铁氢氧化物在镍铁泡沫上的一步原位生长,从而解决了这一差距。与现有最先进的催化剂相比,电极显示出优异的OER活性和耐久性(η100为274 mV,Tafel斜率为40.54 mV dec-1,耐久性为168小时)。


要点二:制备方法简单、可扩展性强、成本低,与现有的电催化电极形成鲜明对比,现有的电催化剂电极需要结合复杂的反应步骤进行制造。我们精确控制反应溶液的浓度,以定制这些氢氧化物的形态,从而形成由非常薄的纳米片组成的独特的三维花状簇,厚度仅为1 nm。


要点三:生成的CoFe氢氧化物经过表面重建,在OER过程中形成高价Co(IV)-O活性:通过原位拉曼和密度泛函理论计算进行机理研究。



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文 章 链 接


Unraveling the Dynamic Reconstruction of Active Co(IV)-O Sites on Ultrathin Amorphous Cobalt-Iron Hydroxide Nanosheets for Efficient Oxygen-Evolving

https://doi.org/10.1002/smll.202404205



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通 讯 作 者 简 介


和铭副教授简介:和铭,男,博士,副教授,硕士生导师。2011 年 7 月获齐鲁工业大学轻化工程专业学士学位;2017 年 2 月获韩国国立江原大学造纸工程系工学博士学位;2017 年 9 月加入齐鲁工业大学从事教学科研工作,主要从事生物质纳米功能材料的制备及应用及木质纤维组分功能化技术等方面的研究工作。韩国制浆造纸工学会会员,韩国工业化学会会员,美国 TAPPI-Nano分;中国化学会会员,Polymers, Materials, KTAPPI 等杂志客座编辑。主持国家自然科学基金青年基金项目 1 项、山东省自然科学基金 1 项、山东省高等学校科技计划项目1项、山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目1项以及多项企业横向项目等,依托以上项目,获 2023 山东省科学技术进步奖一等奖 1 项,近 3 年在在 Small、NPJ Clean Water、Desalination、International Journal of Biological Macromolecules 等国内外期刊发表高水平学术论文 24 篇,获批国家发明专利 5 项,PCT 专利 1 项。



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第 一 作 者 简 介


王莹简介:2019年毕业于山东大学张忠华教授课题组,2019-2020在以色列本古里安大学进行博士后研究,2021年入职齐鲁工业大学。长期从事纳米结构材料的设计开发及电催化性能研究。以第一作者或通讯作者身份在Small、JMCA、ACS AMI等国内外知名期刊发表论文12篇


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