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【前沿纵览】NC, AM, AEM, AFM：OER&ORR最新研究进展

科学材料站

2020-06-03

导读：【前沿纵览】NC, AM, AEM, AFM：OER&ORR最新研究进展

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Advanced Materials

1. 一种用于析氧反应的Ir/Ni(OH)2异质结构电催化剂：打破标度关系/稳定铱（V）

由于O—O键形成的高势垒和多个反应中间产物间标度关系的限制，开发高效的析氧反应电催化剂对水裂解制氢具有很大的挑战性。近日, 浙江大学孙文平课题组为了同时解决这些问题，设计了一种具有丰富异质界面的Ir/Ni(OH)₂异质结构。该工作以“An Ir/Ni(OH)₂ Heterostructured Electrocatalyst for the Oxygen Evolution Reaction: Breaking the Scaling Relation, Stabilizing Iridium(V), and Beyond”为题发表在国际知名期刊Advanced Materials上, Guoqiang Zhao是本文的第一作者。作为一种有效的电催化体系，Ir/Ni(OH)₂异质结构具有良好的多功能界面，在碱性介质中表现出优异的OER活性和耐久性。该研究结果突出了异质结界面工程对合理设计和开发先进电催化剂的重要意义。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000872

Advanced Energy Materials

1. 钽-石墨烯复合电催化剂用于高效氧还原反应

氧还原反应（ORR）是可再生能源转换与存储设备（例如燃料电池和金属空气电池）中最重要的反应之一。尤其是汽车使用的聚合物电解质膜燃料电池，已经达到商业化水平。尽管铂族金属（PGM）催化剂有高的催化效率，但高的成本和有限的资源阻碍了其商业化的步伐。因此，人们迫切需要开发低成本，高活性和稳定的非贵金属催化剂来替代PGM。

基于此，加拿大国家科学研究院的Ana C. Tavares，Weichao Wang和Shuhui Sun等人在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Engineering of a Low-Cost, Highly Active, and Durable Tantalate–Graphene Hybrid Electrocatalyst for Oxygen Reductio”的研究性论文。本文第一作者是Gaixia Zhang。

作者报道了一种由N掺杂rGO上生长的Na₂Ta₈O_21-x/Ta₂O₅/Ta₃N₅纳米晶体组成的新型复合材料，其在酸性和碱性介质中具有优异的ORR活性、稳定性以及甲醇耐受性。密度泛函理论（DFT）计算了Ta基催化相的功函数，结果表明：纳米晶间的电子转移导致其界面形成电荷积累层，从而促进了O2分子的活化，提高了ORR的性能。这种类型的混合催化剂具有很大的灵活性，因为它们可以用于：1）与质子或阴离子膜结合的燃料电池，以及存在从氢到醇的不同燃料，这些燃料可通过可再生能源供电的电解或二氧化碳和水的共电解等可再生途径获得；2）其他装置，如金属空气电池，包括锌空气、锂空气、钠空气，等等。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000075

2. 分级多元纳米颗粒作为氧析出和氧还原反应的双功能催化剂

高效的电催化剂是各种清洁能源转换和储存系统的关键。多元素纳米材料因其广泛的组成和协同性能而成为多功能催化剂。然而，由于多元素纳米材料料的组成复杂，其控制合成难度较大。

近日，美国马里兰大学的胡良兵和李腾教授等人在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Hierarchical Polyelemental Nanoparticles as Bifunctional Catalysts for Oxygen Evolution and Reduction Reactions”的文章。本文共同第一作者是武美玲，崔铭锦，吴连平。

作者提出了一种简便的一步合成方法，用于制备分级多元素纳米粒（HPNPs），作为一种高效的OER和ORR双功能催化剂。作者使用快速的高温脉冲立即分解一组金属前体，其中含有10个原子%的贵金属（铂和铱）和90个原子%的过渡金属（铁、钴和镍），随后这些金属前体固化成多金属纳米颗粒。通过在空气中高温处理0.5s，过渡金属形成尖晶石型过渡金属氧化物纳米颗粒（FeCoNiO_x），而贵金属形成的超小纳米颗粒（IrPt，直径约5 nm）牢固地锚定在过渡金属氧化物纳米颗粒的表面上，形成尺寸分级结构。这种分级纳米结构降低了贵金属的利用率，产生了大的电活性表面积，并在氧电极反应过程中稳定了IrPt合金。与化学还原法、溶剂热法、和溅射法等其他合成具有层次结构的金属金属氧化物材料方法相比，此研究中的金属和金属氧化物是一步且同时合成的，具有超快、无溶剂/还原剂、易控制等特点。不同于之前报道的通过热冲击合成的多金属纳米颗粒，其特征是均匀混合的合金，本文所示的分级结构使贵金属催化剂和过渡金属氧化物纳米粒子的电活性表面积最大化，以获得最佳的OER和ORR双功能催化活性和纳米催化剂稳定性。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202001119

Advanced Functional Materials

1. 金属-有机骨架衍生的互连双金属偏磷酸盐纳米阵列用于高效电催化析氧

发具有低成本、高催化活性和稳定的电催化剂用于动力学缓慢的析氧反应（OER）是发展可再生清洁能源的关键。近日，哈尔滨工业大学的徐平和李思伟等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Metal–Organic Frameworks Derived Interconnected Bimetallic Metaphosphate Nanoarrays for Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution”的文章。本文第一作者是李昱芝。

本文中，作者以CoNi(n)-ZIF纳米片作为前驱体，碳布为载体，通过低温气相磷化法合成了相互连接的Co-Ni偏磷酸盐纳米阵列催化剂（Co_2-xNi_xP₄O₁₂-C）。DFT计算和电流模拟揭示了掺杂效应和形貌效应对催化性能的影响。其中，Co_1.6Ni_0.4P₄O₁₂-C在碱性介质（1M KOH）中展现出最优的OER活性（η₁₀=230mV）和长时稳定性。这种平衡掺杂效应和形貌效应的合成策略为设计和开发高效电催化剂用于能源转换和存储提供了新的视角。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201910498

2. 大规模生产非贵金属双功能氧电催化剂的研究进展

氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）是包括燃料电池、金属空气电池和电解槽在内的能量转换和储存系统中的关键反应。开发低成本、高效率、耐用的非贵金属双功能氧电催化剂是这些器件商业化的关键。

近日，苏州大学杨瑞枝教授、田景华教授、金超教授等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials (2018 影响因子：15.62)上发表题为“Recent Advances in Non-Noble Bifunctional Oxygen Electrocatalysts toward Large-Scale Production”的综述。本文第一作者是Kai Zeng。

本文综述了近年来非贵金属双功能ORR/OER电催化剂的设计和开发进展。首先，在碱性电解液中解释了ORR/OER的基本原理。在深入了解反应机理的基础上，作者重点研究了双功能ORR/OER催化剂的设计策略，旨在设计活性中心，促进质量/电荷转移和可扩展合成，以大规模生产高效耐用的电催化剂。并综述了碳基和过渡金属氧化物基电催化剂的最新研究进展。最后，对高效双功能ORR和OER电催化剂的大规模生产提出了新的挑战和展望。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000503

Nature Communications

1. 部分氧化的Pd与缺陷碳配位促进2电子氧化还原生成水

通过选择性2电子（2e^-）氧还原反应（ORR）进行H₂O₂电化学合成是替代工业蒽醌氧化的一种方法。在碱性和中性电解液中，具有缺陷的碳材料，例如氧化碳纳米管（O-CNT），BN掺杂碳，Fe单原子配位的O-CNT和还原型氧化石墨烯（GO），均显示出高活性和2e^-ORR的选择性。研究表明，在酸性条件下生成H₂O₂在燃料电池的运行中更具技术优势，但碳基材料在酸性电解液中需要较大的过电势（~300mV）来引发ORR反应，这导致在燃料电池运行中存在较大的电压损失。

基于此，加州大学圣地亚哥分校Zheng Chen，加拿大卡尔加里大学Samira Siahrostami，布鲁克海文国家实验室Jingguang G. Chen，加州大学Huolin L. Xin报道了部分氧化的钯（Pd^δ+）与氧官能化的碳之间的协同相互作用可以促进酸性电解质中的2e^- ORR。

该工作以作者通过简单的溶液浸渍法，将Pd₃和Pd₄团簇沉积在OCNT上，合成了一类含有Pd-O-C型配位的催化剂。该催化剂对H₂O₂的选择性接近100%。同时与OCNT相比，该催化剂的ORR起始电位正向偏移约320mV。实现了Pd^δ+-OCNT的高质量活度（1.946 A mg^-1，0.45 V）较高。EXAFS和DFT表明Pd团簇与附近含氧官能团之间的相互作用是2e^-ORR高选择性和高活性的关键。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15843-3

2. 在碳材料中建立和识别高活性氧化基团，以将O2还原为H2O2

H₂O₂作为一种绿色氧化剂，被广泛应用于消毒剂、漂白剂、消毒剂、化工合成，甚至作为一种潜在的能源载体。而H₂O₂的一步电化学合成是一种现场合成的方法，可减少对高能耗的蒽醌工艺的依赖性。事实证明，氧化碳材料由于其成本低、合成步骤简单，是一种很有前景的催化剂。然而，其活性位点的性质仍然存在争议，目前还缺乏直接的实验证据。

基于此，韩国蔚山科学技术院Feng Li，Jong-Beom Baek，加拿大卡尔加里大学Samira Siahrostami等人近日在Nature Communications上发表题为“Building and identifying highly active oxygenated groups in carbon materials for oxygen reduction to H₂O₂”，文章第一作者是Gao-Feng Han。

本文报道了一种简便的合成方法，将醌官能团结合到碳纳米结构中。为了进行比较，同时采用预活化方法制备了富羰基和醚环富集型石墨纳米片(分别记为GNPC=O和GNPC-O-C)。研究表明，富含醌官能团的样品在0.75 V（vs RHE）的条件下表现出高的选择性和活性，H₂O₂产率高达97.8％。利用DFT计算，确定了碳纳米结构边缘和基底平面上不同可能的醌官能团的活性趋势。本文的研究结果为设计同时具有高选择性和活性的碳基催化剂提供了指导。