暨南大学林怀俊副研究员JMCA：具有体表协同催化效应的Fe基纳米非晶合金OER催化剂- 大数跨境

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暨南大学林怀俊副研究员JMCA：具有体表协同催化效应的Fe基纳米非晶合金OER催化剂

科学材料站

2021-03-31

导读：本文提出通过对在Fe非晶合金中引入结构缺陷来实现体、表协同催化，并借助电化学腐蚀产物FeOOH来加快电荷转移效率，显著地提高OER催化活性及循环寿命。

文章信息

阴极腐蚀活化Fe基纳米非晶作为高活性、长寿命的电解水OER催化剂

第一作者：吴凯瑶，暨南大学

通讯作者：林怀俊，暨南大学

通讯单位：暨南大学

研究背景

析氧反应（OER）是电解水制氢的关键反应之一，OER过程的反应动力学缓慢，通常需要添加催化剂来促进反应。

铁基块体非晶合金是一类新型的电催化剂，导电性好，无需负载可以直接作为催化反应电极。然而催化反应一般只集中于块体非晶合金与电解液直接接触的表面，而且表面上的活性位点在催化过程中又很容易会被反应副产物致密覆盖，致使催化剂失活。

基于以上不足，研究人员提出通过对在Fe非晶合金中引入结构缺陷来实现体、表协同催化，并借助电化学腐蚀产物FeOOH来加快电荷转移效率，显著地提高OER催化活性及循环寿命。

文章简介

近日，来自暨南大学的林怀俊副研究员在国际知名期刊Journal of Material Chemistry A上发表题为“Cathodic Corrosion Activated Fe-based Nanoglass as Highly-Active and -Stable Oxygen Evolution Catalyst for Water Splitting”的研究工作。

研究人员通过甩带法获得Fe78Si9B13非晶合金条带，然后进行高压扭转（HPT）处理，引入缺陷构筑纳米非晶合金，最后通过电化学腐蚀方法制备由原位形成FeOOH层覆盖的Fe78Si9B13纳米非晶合金（简称为FeOOH@NG）。

FeOOH@NG通过内部的纳米边界实现体-表协同催化，同时通过FeOOH层中氧空位产生羟基自由基（OH•）活化Fe基非晶基体，从而获得高OER催化活性，快速的反应动力学和超高的催化稳定性。FeOOH@NG在1 M KOH中的10 mA cm-1处仅产生240 mV的过电势，而Tafel斜率低至42 mV dec-1。

图1. FeOOH@NG的（a）结构示意图和（b）OER催化机理。

本文要点

要点一：含混合相、疏松FeOOH层的构筑

FeOOH中的氧空位在电场作用下会吸附催化剂表面的水和OH-产生羟基自由基OH•，而羟基自由基的强氧化性可以加快铁原子由单质转化成离子态的过程（Fe0→Fe2+/Fe3+）。因此，FeOOH中的氧空位含量直接决定了该过程发生的快慢。

在本研究中，通过低电势的阴极腐蚀所产生的FeOOH主要为α-FeOOH和γ-FeOOH；相对于α-FeOOH，γ-FeOOH表现出结构上的不稳定性，在特定情况下会向α-FeOOH转化。而与单相FeOOH相比，混合相FeOOH中的氧空位含量明显更高，这意味着其具有更高的OH•生产效率和更快的电子传输过程。

要点二：Nanoglass的有序边界及FeOOH层的协同催化效果

Nanoglass表面上的FeOOH显示出疏松和多孔的堆叠结构以及不均匀的分布，从而导致更多的活性位点和更高的电化学表面积（ECSA），Nanoglass结构打破了熔体快淬非晶合金的均匀性并显示出丰富的有序边界，而且这些有序边界可负责建立表面与内部非晶基质之间的连接结构，达到协同催化的效果。

要点三：FeOOH @ NG的OER催化活性与稳定性

FeOOH@NG样品在10 mA cm-2阴极电流密度下的过电位仅240 mV，与已报道的铁基非晶合金OER催化剂对比，展现出优异的OER催化活性，Nanoglass与FeOOH之间的协同作用大大降低了水分解过程中的活化能，而且Tafel斜率约为40 mV / dec，表明限速步骤已从O*变为OOH*。

单质Fe源是维持催化稳定性的关键因素，Nanoglass界面扩展的不均匀性诱导其很容易形成疏松的FeOOH层，使电解质与非晶态基质之间保持紧密联系，Nanoglass不仅通过丰富的有序边界/区域提供单质Fe源，以确保循环过程中的活性稳定性，而且避免了由于表面腐蚀产物的密集覆盖而使催化剂失活。

文章链接

Cathodic Corrosion Activated Fe-based Nanoglass as Highly-Active and -Stable Oxygen Evolution Catalyst for Water Splitting

https://doi.org/10.1039/D1TA00769F

通讯作者介绍

林怀俊，副研究员。

2014年博士毕业于华南理工大学，随后在日本九州大学做博士后。2017年加入暨南大学先进耐磨蚀及功能材料研究院任副研究员。从事氢能应用相关金属材料的研究，重点关注非晶态合金的储氢、制氢、催化性能。主持国家自然科学基金面上和青年项目各1项，发表学术论文60余篇，包括在Nano Energy、Acta Mater、Scr Mater、JMCA等杂志的第一/通讯作者论文30篇。撰写英文书2章，获授权PCT和中国专利5项。