JMCA: 土钆调控的电子结构工程促进电催化析氧反应- 大数跨境

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JMCA: 土钆调控的电子结构工程促进电催化析氧反应

科学材料站

2021-02-02

导读：本文系统研究了Gd元素对NiFe-LDH组成、电子结构、氧空位、电催化性能等方面的影响，并且探究了该催化剂在电催化析氧反应及全解水装置中的应用。

文章信息

Gd诱导NiFe-LDH的电子结构工程促进电催化析氧反应

第一作者：李梦

通讯作者：付更涛*，Jong-Min Lee*, 唐亚文*

单位：南京师范大学，南洋理工大学

研究背景

电催化水分解反应被认为是获得清洁氢能和高纯度氧产品最可靠的方法之一。在水分解过程中，由于O-H键断裂和O=O键形成过程中的高热力学势垒，析氧反应（OER，4OH-→2H2O+O2+4e-）是电解水中的一个速率决定步骤。因此，加快这一过程对提高水分解效率具有重要意义。探索高活性、高稳定性、低价格的电催化剂来取代贵金属（Ru和Ir）及其氧化物，对全解水的应用具有重要意义。

稀土金属有“工业黄金”和“工业维生素”的美誉。由于稀土元素独特的4f亚层电子结构和独特的亲氧性，在调节各种过渡金属基材料的电子结构和提高其催化性能方面引起了广泛的关注。稀土元素作为添加剂或助催化剂时，可以改善载体材料的电子结构和配位环境，从而提高催化剂的催化性能。此外，稀土元素的加入还可以增加材料中的氧空位，从而优化含氧中间物种（如HOO*）的吸附能。因此，研究稀土掺杂催化剂，探索其在电催化析氧反应中的应用，是推动电解水反应进一步发展的关键。

文章简介

近日，来自南洋理工大学的付更涛博士、Jong-Min Lee教授与南京师范大学的唐亚文教授合作，在知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Gd-Induced Electronic Structure Engineering of NiFe-Layered Double Hydroxide for Efficient Oxygen Evolution”的研究文章。

本文系统研究了Gd元素对NiFe-LDH组成、电子结构、氧空位、电催化性能等方面的影响，并且探究了该催化剂在电催化析氧反应及全解水装置中的应用。

图1. Gd-NiFe-LDH@CC的 (a)合成示意图; (b)XRD图及 (c)电子顺磁共振波谱图。

本文要点

要点一：稀土元素Gd的引入优化NiFe-LDH的电催化析氧性能

本文通过简单的水热法在柔性碳布上构建了Gd掺杂NiFe-LDH超薄纳米片阵列(Gd-NiFe-LDH@CC)。电催化实验表明，Gd的引入显著提高了催化剂的电催化析氧性能。

Gd-NiFe-LDH@CC在碱性条件下的析氧反应过电势仅为210 mV，与未掺入稀土Gd的NiFe-LDH@CC相比降低了40 mV，也表现出极小的塔菲尔斜率(Gd-NiFe-LDH@CC：40.9 毫伏Dec-1，NiFe-LDH@CC：53.4 mV Dec-1，RuO2:98.3 mV Dec-1）。在长达55h的长时电化学稳定性试验中，电流几乎没有衰减，显示出极其优异的稳定性。选择性测试表明Gd-NiFe-LDH@CC的法拉第效率接近100%。

要点二：优异的电催化活性起源于优化的电子结构工程

理论研究表明，高价态Gd的引入优化了周围Ni、Fe元素的电子结构，使Gd元素周围的电荷重新分布。电化学阻抗测试和双电层电容测试表明，Gd元素的加入显著降低了催化剂的电荷转移电阻，并具有更多的电化学活性中心。

此外，密度泛函理论表明，稀土元素Gd的加入能有效地扰动其周围的电子结构，从而提高Ni位的活性，从而在析氧反应中，HOO*中间体位于Ni位点上具有更强大的键合力。

要点三：在电催化全解水反应中的应用

全解水应用中，在商业化铂碳作为对电极时，Gd-NiFe-LDH@CC II Pt/C电解池仅需要1.46 V即可达到10 mA cm-2的电流密度，可以与商业化RuO2 II Pt/C电解池媲美（1.46 V），并且在大电流密度下表现远远优于商业化催化剂（仅需1.56 和 1.62 V即可达到100 和 200 mA cm-2的电流密度）。碱性条件下的长达22 h的电化学稳定性测试表明Gd-NiFe-LDH@CC具有优异的电化学稳定性。

文章链接

Gd-induced electronic structure engineering of a NiFe-layered double hydroxide for efficient oxygen evolution

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d0ta10740a#!divAbstract

通讯作者介绍

唐亚文教授，博士生导师。

主要研究方向为能源材料、电化学。江苏省化学化工学会理事、江苏省电化学专业委员会主任、江苏省新型动力电池重点实验室主任、江苏省氢燃料电池汽车产业研究中心委员、江苏省教育学会化学教学会理事长、化学化工学会高校工作委员会委员。在Adv Mater、Angew Chem Int Ed、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater、Nano Lett、Nano Energy、Adv Sci、Chem Sci、Small等期刊发表SCI论文200余篇，近五年他引6000余次，H因子49；申报和授权国家发明专利36件；主编教材/专著3部；主持国家863项目和国家自然科学基金项目等8项，省部级4项；申请和授权发明专利36项；获江苏省教学成果二等奖两项，省级科学技术奖两项。南京师范大学奕熙精英教师奖、教书育人奖、师德先进个人奖获得者。