JMCA：混合金属羟基氟化物纳米片阵列作为双功能电催化剂用于高效全水解- 大数跨境

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JMCA：混合金属羟基氟化物纳米片阵列作为双功能电催化剂用于高效全水解

科学材料站

2022-05-15

导读：该工作制备了具有纳米片阵列的自支撑 CoxFey(OH)F电催化剂用于碱性介质中的全水解反应。

文章信息

混合金属羟基氟化物纳米片阵列作为双功能电催化剂用于高效全水解

第一作者：李亚斐

通讯作者：葛桂贤*，陈龙*，张金利*

单位：石河子大学，天津大学

研究背景

氢(H₂)——因其零碳排放的特性而被认为是碳中和且环保的化石燃料替代品之一。可再生电力驱动的电化学水分解是生产氢气燃料的理想方法。然而，由于其反应动力学缓慢的问题往往需要催化剂去降低其反应能垒。过渡金属基氢氧化物作为出色的电催化剂已被用以克服全水分解反应中动力学缓慢的问题。

但是，越来越多的研究表明纯氢氧化物材料的电催化性能总是受到导电性差、结构稳定性低和不可避免的团聚现象的限制。特别是，纯氢氧化物材料中纳米片的重叠和团聚可以在很大程度上阻止电子和离子的转移，这也会明显减少活性位点的数量。因此，需要探索一些有效的方法，包括形态、界面和电子结构的调控，以提高氢氧化物电催化剂的催化性能。

文章简介

基于此，石河子大学的葛桂贤教授、陈龙副教授与天津大学的张金利教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Hybrid-metal hydroxyl fluoride nanosheet arrays as a bifunctional electrocatalyst for efficient overall water splitting”的观点文章。

该工作制备了具有纳米片阵列的自支撑 Co_xFe_y(OH)F电催化剂用于碱性介质中的全水解反应。通过研究表明催化剂中Co和Fe的调节可以控制电催化剂的形貌，改变Co²⁺/Fe³⁺的比例，调整反应的电位决定步骤，从而提高全水解的催化性能。

本文要点

要点一：简洁、高效的制备方法及Co和Fe含量对形貌的调控

研究人员通过简单的一步水热法合成了在泡沫镍（NF）上生长的Co_xFe_y(OH)F纳米片阵列，通过控制合成过程中金属源的添加量来调节催化剂中X和Y的值。通过电镜表征发现催化剂中X值偏高时形成的纳米片阵列中片层较厚，Y值偏高是形成的纳米片阵列团聚现象严重，而X和Y值达到一个平衡后纳米片不仅形成规则有序的陈列相貌并且伴有较薄的片层厚度。

要点二：Co和Fe含量对价态的调控

Co_xFe_y(OH)F催化剂中Co主要以+2价和+3价的价态存在，而Fe主要以+3价的价态存在，通过研究对比发现添加适量的Fe阳离子有利于保持Co²⁺的稳定性，但过量的Fe阳离子会氧化Co²⁺形成Co³⁺。

要点三：优异的催化性能

具有最规则有序纳米片阵列的Co_0.21Fe_0.28(OH)F催化剂具有较低的电荷转移电阻、丰富的活性位点和较大的电化学表面积，在10 mA cm^-2的电流密度下可实现OER 195 mV和HER 73 mV的过电位。以Co_0.2₁Fe_0.28(OH)F同时用作阴极和阳极形成双电极电池时在10 mA cm^-2的电流密度下仅需要1.53 V 的电压。最后通过改变CoFe氢氧化物中Co和Fe元素的比例可以降低HER和OER过程中的速率控制步骤，因此调节催化剂中催化元素的比例可以有效提高全解水反应效率。

文章链接

Hybrid-metal hydroxyl fluoride nanosheet arrays as a bifunctional electrocatalyst for efficient overall water splitting

https://doi.org/10.1039/D2TA00502F

通讯作者简介

葛桂贤教授

葛桂贤，南京大学理学博士，现石河子大学硕士生导师。先后在《Phys. Rev. B》、《Sci. Rep.》、《J. Chem. Phys.》等国内外期刊发表论文40余篇，SCI收录30余篇。主持各级各类课题10余项。石河子大学第五批“263”青年骨干教师。

陈龙副教授

陈龙，中国科学院大学工学博士，石河子大学硕士生导师，材料科学与工程系党总支书记。先后在《Small》、《Nano Res.》、《J. Mater. Chem. A》、《J. Energy Chem.》、《Chem. Eng. J.》等国外SCI期刊发表论文30余篇，申请国家发明专利20余项，授权12项，出版著作四部。指导学生荣获“挑战杯”、“互联网+”等国家奖项近10项。担任多个SCI期刊（Electrochim. Acta、J. Mater. Chem. A、J. Alloys Compd.）等论文评审专家。

张金利教授

张金利，博士研究生学位，天津大学化工学院教授，博士研究生导师。石河子大学化学化工学院院长，生物与制药工程天津市重点实验室主任，973计划项目首席科学家，英国化学工程师学会Fellow、国际化学工程师，教育部创新团队负责人，国家级教学团队负责人，新疆生产建设兵团科技创新团队负责人。先后入选“教育部新世纪优秀人才支持计划”、天津市“131人才工程”第一层次，曾获霍英东青年教师奖、宝钢优秀教师奖；兼任中国化工学会化工信息技术专业委员会委员、中国职业安全健康协会常务理事、中国颗粒学会青年理事、天津市劳动保护学会副理事长、石河子大学绿洲学者、《煤化工》等4个刊物编委；曾任天津市科学技术协会委员、天津大学化工学院副院长、天津市化工过程及设备技术研究会理事长。