麦立强团队丁瑶教授Nano Research：通过协同双离子浸出自重构提升电化学析氧效率- 大数跨境

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麦立强团队丁瑶教授Nano Research：通过协同双离子浸出自重构提升电化学析氧效率

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2024-07-30

导读：麦立强团队丁瑶教授Nano Research：通过协同双离子浸出自重构提升电化学析氧效率

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文章信息

通过协同双离子浸出自重构提升电化学析氧效率

第一作者：马翰丞

通讯作者：丁瑶*

单位：武汉理工大学

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研究背景

在追求高效和可持续能源转换技术方面，电化学析氧反应（OER）在水分解中扮演着关键角色，因此引起了人们的广泛关注。最有效的OER电催化剂通常是贵金属及其氧化物，如IrO₂和RuO₂。然而，贵金属的天然稀缺性和高昂成本极大地限制了它们的实际应用。一些非贵金属催化剂，如NiMoO₄、Co₂(OH)₃Cl、LaNiO₃和Co₃O₄，在达到氧化电位时会发生自重构现象，形成具有高催化活性的羟基层。尽管衍生的自高价金属氧（羟基）活性层被认为是真正的活性位点，但仍不能完全解释为何不同氧化态的前体催化剂在自重构后显示出不同的原子结构和催化活性。因此，准确确定前体催化剂的原子配位并实时检测其在重构过程中产生的中间产物对于理解基于非贵金属的OER机制至关重要。

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文章简介

鉴于以上原因，武汉理工大学麦立强团队的丁瑶副教授针对Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄前驱体催化剂持续自重构的问题，设计了一种高效的非贵金属析氧反应（OER）催化剂，并通过简单的双离子浸出（MoO₄^2-和Cl^-）形成异质界面。通过原位拉曼和原位傅里叶变换红外光谱精确确定了催化剂在自重构过程中的逐渐相变，形成了稳定的CoOOH@NiOOH异质结构。基于密度泛函理论（DFT）计算，发现更多的电子将集中在Co的费米能级上。对CoOOH@NiOOH在不同OER步骤的吉布斯自由能进行分析表明，所有中间体的能量成本较低，表明其出色的催化性能。最终，通过双离子浸出得到的催化剂显示出优异的OER性能，电流密度达到10 mA cm^-2时，其过电位为275 mV，并在12小时的反应过程中表现出良好的稳定性。这项研究成功地通过自重构过程中的双离子浸出手段提高了催化剂的催化效率，为寻找非贵金属基高性能OER催化剂提供了借鉴。

图1 Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄的合成和表征。(a) Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄的合成示意图。(b) Co₂(OH)₃Cl@NiMoO4的XRD结果和(c) FT-IR光谱。(d) Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄的HAADF STEM和(e)相应的元素分布图像。(f) Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄的高分辨率TEM图像和 (g) SAED标定图案。

图2 Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄和NiMoO₄的XPS表征。(a) Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄和NiMoO₄中Mo 3d带的峰值。(b) Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄和NiMoO₄中Ni 2p带的峰值。(c) Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄中Co 2p带的峰值。(d) Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄中Cl 2p带的峰值。

图3 Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄的OER性能。(a) Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄和NiMoO₄的OER极化曲线和 (b)相应的Tafel图。(c) 在过电位为10 mV时的Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄和NiMoO₄的Nyquist图。(d) 不同电极的过电位和Tafel斜率性能对比柱状图。(e)基于NiMoO₄NiMoO₄的OER催化剂的过电位性能对比柱状图。(f) Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄稳定性测试

图4 Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄的原位FT-IR和拉曼表征。(a, b) Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄在1.0 M KOH中进行OER时原位FT-IR光谱图。(c, d) Co₂(OH)₃Cl@NiMoO₄在1.0 M KOH中进行OER过程中未施加偏压的原位拉曼光谱图。

图5 CoOOH@NiOOH在OER过程中的DFT计算。(a) CoOOH@NiOOH、CoOOH和NiOOH的总电子态密度（TDOS）。(b) CoOOH@NiOOH表面上*OH、O*和*OOH在不同OER步骤中的吸附的原子结构。(c) 和 (d) CoOOH@NiOOH和CoOOH在OER不同步骤中计算的Gibbs自由能U = 0 (c) 和 U = 1.23 (d)的曲线。(f) CoOOH@NiOOH界面处的电荷密度差异，黄色和蓝色区域分别表示电荷的积聚或扩散。

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文章链接

Approaching high oxygen evolution reaction performance by synergetic dual-ion leaching

https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-024-6812-1

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通讯作者简介

丁瑶，武汉理工大学材料科学与工程学院特岗教授，湖北省高层次人才，研究生导师。研究方向为半导体材料科学与光电能源转存一体化器件的设计及性能调控，在Nano Energy、Advanced Functional Materials、Nano Letter、ACS Nano、Small等期刊发表SCI论文20余篇，多次在国际学术会议做口头报告，主持国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、湖北省重点研发计划等科研项目，参与国家自然科学基金委重大仪器专项、科技部重点研发计划等科研项目。

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第一作者简介

马翰丞，武汉理工大学材料科学与工程专业硕士毕业生，现为香港科技大学博士在读生。

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课题组介绍

武汉理工大学纳米重点实验室主要从事纳米能源材料与器件领域的研究，包括新能源材料、新型催化材料、微纳器件等前沿方向。团队目前有教师11名，包括长江学者、杰青、国家领军人才、国家级高层次青年人才5人（次），在读博士、硕士研究生80余人。中科院院士赵东元教授作为课题组学术顾问，为课题组发展提供重要的指导和帮助。团队长期致力于储能技术领域研究，设计组装了国际上第一个单根纳米线器件，实现单纳米基元从0到1的突破，发现电子/离子双连续效应和分级协同效应。团队近年来主持/承担了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家杰出青年基金、国家基金委重大科研仪器专项、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作计划等国家级科研项目30余项。

课题组目前发表SCI论文400余篇，以第一或通讯作者在Nature 2篇，Nature及Cell子刊（20篇），合作发表Nature 1篇、Science 2篇、Nature、Science、Cell子刊5篇，以第一或通讯作者在影响因子10.0以上的期刊发表论文100余篇，ESI高被引论文55篇，ESI 0.1%热点论文13篇。获得国家发明授权专利140余项。获国家自然科学二等奖（2019）、教育部自然科学一等奖（2018年）和湖北省自然科学一等奖（2014年和2021年）。团队负责人麦立强教授获何梁何利基金科学与技术青年创新奖（2020）和国际电化学能源大会卓越研究奖（2018，每年仅2人）等，获国家杰青资助（2014年），入选教育部“长江学者”奖励计划（2016年），英国皇家化学会会士（2018）和科睿唯安全球高被引科学家（2019、2020、2021）；任国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”首席科学家、国家重点研发计划纳米科技专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴；在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做特邀报告70余次；作为会议主席举办Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要学术会议。

团队培养的50余名学生被推荐到哈佛大学、麻省理工大学、牛津大学、加州大学洛杉矶分校、西北太平洋国家实验室、阿贡国家实验室、清华大学、北京大学、中国科学院等著名高校或科研机构进行深造。10余名学生已在国内外知名高校和科研单位如英国国家物理实验室、萨里大学、滑铁卢大学、厦门大学等任职，担任教授或助理教授。该团队已发展成为国内外纳米科学技术和新能源材料技术领域具有重要影响的科学研究、国际合作及人才培养中心。欢迎有志于从事新能源纳米材料与器件的有志之士加盟本课题组！特别欢迎对科研感兴趣、成绩好、英语基础扎实、积极主动性高、有志于继续国内或到国外深造的学生报考或申请本课题组的博士后、博士生、硕士生，也欢迎国内外专家学者或学生的访问、交流与合作！

武汉理工大学麦立强团队官网：http://mai.group.whut.edu.cn/