Angew: LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂用于工业条件下长时间高效水氧化- 大数跨境

首页

Angew: LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂用于工业条件下长时间高效水氧化

科学材料站

2021-01-29

导读：该文章通过2D-2D静电自组装策略，利用剥离后的单层LDH和birnessite之间电荷互补的特点，有效构筑了LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂，实现了工业碱性电解水条件下的长时间高效稳定的水氧化催

文章信息

LDH(+)-Bir(-)：2D-2D杂化催化剂，在工业运行条件下对水氧化具有长期稳定性

第一作者：陈柱文，鞠敏

通讯作者：龙霞*，黄勃龙*，杨世和*

单位：北京大学深圳研究生院，香港理工大学，南京大学

研究背景

电催化分解水制氢是实现大规模生产高纯度氢气的有效方法。目前NiFe层状双羟基化合物（LDH）是用于氧析出反应（OER）的有效非贵金属催化剂，但其在严苛工业制氢条件下的耐久性仍有待进一步提高。而局部结构类似于光合作用系统II（PS II）中产氧团簇（OEC）原子结构的水钠锰矿（birnessite）具有稳定的MnO2基质，但OER活性较低。

本文利用剥离后的单层LDH和birnessite具有相反电荷的特点，通过二维静电自组装策略，有效构筑了LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂。该催化剂在工业电解水制氢条件下表现出长时间高效的水氧化活性和稳定性。

通过实验结果和理论计算，作者探究了层间电子转移、层间电场对于OER反应动力学的提高，以及该杂化催化剂特殊稳定性的来源。通过这种新颖的2D-2D静电自组装策略，实现了电催化剂结构功能的灵活调节和协同增效，为设计高效的清洁燃料转化电催化剂开辟了独特的途径。

文章简介

近日，来自北京大学深圳研究生院的杨世和教授、龙霞副教授、与香港理工大学的黄勃龙教授合作，在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed上发表题为“TM LDH Meets Birnessite: A 2D-2D Hybrid Catalyst with Long-term Stability for Water Oxidation at Industrial Operating Conditions”的文章。

该文章通过2D-2D静电自组装策略，利用剥离后的单层LDH和birnessite之间电荷互补的特点，有效构筑了LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂，实现了工业碱性电解水条件下的长时间高效稳定的水氧化催化。

图1. Bienessite和LDH的原子结构示意图，以及通过剥离和静电自组装过程构筑LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂。

本文要点

要点一：静电自组装构筑LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂

由于LDH和Birnessite都具有二维层状结构，且主层板电荷互补，可以剥离后通过静电自组装的方式，将带正电的单层NiFe LDH作为电荷补偿阳离子插入Birnessite中带负电的八面体MnO2层间，构筑LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂。

要点二：通过结构和键合信息探究电荷转移及稳定性来源

XPS光谱显示，当MnO2层和LDH层自组装成LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂时， MnO2层和LDH层之间发生了电子转移。同时1H-ssNMR光谱表明，LDH-Bir具有较弱的氢键结构，可以降低局部质子浓度，稳定活性位点。

图2. 制备的LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂的结构和键合信息。

要点三：增强的OER催化活性及工业条件下的长期稳定性

将LDH(+)-Bir(-)用于碱性OER反应，表现出优异的OER催化活性和长期稳定性。更难得的是，该催化剂在85℃和6 M KOH的工业制氢条件下，以及100 mA/cm2和500 mA/cm2的大电流密度下，仍然具有出色的耐久性。

图3. 制备的LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂的电化学性能表征。

要点四：理论计算

DFT计算表明，对于LDH-Bir，中间层的NiFe LDH能够调节电子分布，增强局部电子活性，进一步验证了LDH-Bir中Ni，Mn和Fe离子之间的电子转移。同时，通过优化该催化剂的吸附-脱附性能，实现了高效和稳定的OER催化性能。

图4. DFT计算结果。

本文设计合成的LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂在碱性电解液中表现出优异的OER催化活性和长期稳定性。甚至在85℃和6 M KOH的工业碱性电解水制氢条件下，以及在高达100 mA/cm2和500 mA/cm2的电流密度下，该催化剂仍然具有出色的稳定性，进而同时解决了LDH低稳定性和birnessite 低活性的问题。

总之，通过这种新颖的2D-2D静电自组装策略，实现了电催化剂结构功能的灵活调节和协同增效，这为设计用于工业水氧化的高效OER催化剂开辟了独特的途径。

文章链接

TM LDH Meets Birnessite: A 2D-2D Hybrid Catalyst with Long-term Stability for Water Oxidation at Industrial Operating Conditions

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202016064

作者介绍

本文的第一作者为北京大学深圳研究生院博士后陈柱文和博士研究生鞠敏，通讯作者为北大深研院龙霞副教授，杨世和教授，及香港理工大学黄博龙教授。

课题组介绍

杨世和课题组的研究兴趣包括设计新材料、发现新现象、建立新机理以及拓展其在能量转换中的应用等方面。具体方向包括能量转化反应催化剂，钙钛矿光伏，太阳能燃料，光电探测器等。研究特色保持基础与应用并重，材料与器件相成，明理与创新同进。

课题组招聘

课题组长期欢迎优秀的博士后和研究助理加入