AEM电催化：超薄MnO2纳米片阵列上非晶态混合金属氧氢氧化物的表面诱导形成- 大数跨境

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AEM电催化：超薄MnO2纳米片阵列上非晶态混合金属氧氢氧化物的表面诱导形成

科学材料站

2020-06-15

导读：在这项工作中，作者展示了一种利用泡沫镍（NF）负载的超薄镍掺杂二氧化锰（Ni-MnO2）纳米片阵列作为起始材料制备活性非晶态催化剂层的简易表面引导方法。

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单位：香港城市大学

导读

具有丰富结构缺陷的富含地球元素的无定形纳米材料有望成为贵金属的替代催化剂，以实现有效的电化学氧释放反应，但其导电性差，合成过程中的形貌控制差，阻碍了其电催化性能的充分发挥。

针对上述问题，香港城市大学的Johnny C. Ho教授和深圳大学Wenjun Liu教授等人在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Surface-Guided Formation of Amorphous Mixed-Metal Oxyhydroxides on Ultrathin MnO2 Nanosheet Arrays for Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution”的文章。本文第一作者是Ming Fang。

本文提出了一种快速表面引导合成方法，通过电偶置换机制在超薄Ni掺杂MnO₂（Ni-MnO₂）纳米片阵列上引入非晶态和混合金属氢氧化物覆盖层。该方法得到了一个整体式三维多孔催化剂，其小的过电位仅为232 mV，在1 mKOH中达到10 mA cm^-2的电流密度，这远低于镍锰标准样品307 mV的相应值。详细的结构和电化学表征表明，独特的Ni-MnO₂超薄纳米片阵列不仅提供了大的比表面积来指导活性非晶催化剂层的形成，而且由于其高的电子导电性，保证了有效的电荷输运，总体上有助于大大提高催化剂的活性。作者预计，这种高度可操作的表面导向合成策略可能为设计和制造与功能性非晶材料集成的新型三维纳米结构开辟新的途径，以拓宽应用范围。

背景简介

1、ORE催化剂的研究进展

能源消费和环境问题的日益突出，推动了清洁能源的发展。氢作为一种清洁、碳中和的能源载体，被认为是化石燃料的一种有吸引力的替代品。在理想的情况下，氢是由可再生的清洁能源（如太阳能和风能）驱动的水分解产生的。通常，水分解是通过两个基本的半反应进行的：阴极的析氢反应（HER）和水氧化反应，也称为氧阳极上的演化反应（OER）。与HER相比，OER过程涉及更复杂的电子转移过程，导致反应动力学迟滞，并为高效能的全水裂解设置了瓶颈。然后使用贵金属氧化物，如IrO₂和RuO₂，作为OER的活性电催化剂，可以加速反应速率的降低能源消耗；然而，由于其高成本、稀缺性和在工作条件下的低稳定性，其应用仅限于小规模。

因此，迄今为止，通过利用低成本富含地球的金属，人们已经投入了大量的研究工作来探索替代电催化剂，各种富含地球的材料，特别是基于第一排过渡金属元素（包括镍、钴、铁和锰）的金属氧化物/氢氧化物，已被证明是很有前途的OER催化剂。例如，由于晶格畸变和表面悬挂键有利于生成催化活性的*OOH中间产物，因此它们的非晶态对应物具有优异的OER催化活性，这对OER过程至关重要。此外，由于原子的相对松散堆积，非晶态电催化剂具有很高的结构灵活性，使催化活性位点能够适应电催化所需的任何几何结构。

此外，由于结构紊乱，外来原子可以很容易地结合到非晶相中，在那里形成一种具有协同改善催化特性的混合催化剂。除了所有这些优点外，非晶催化剂常因其低导电性而限制其催化性能的进一步提高。此外，在电极上负载非晶催化剂通常需要使用非导电聚合物粘合剂，这不可避免地导致粒子间连接不良，最终导致性能受损。在这方面，在三维导电基底上直接生长纳米结构催化剂将为缓解上述所有问题提供有效途径。不幸的是，由于缺少晶格，使得预先设计好的长径比和取向的非晶纳米材料难以实现可控生长。

核心内容

在这项工作中，作者展示了一种利用泡沫镍（NF）负载的超薄镍掺杂二氧化锰（Ni-MnO₂）纳米片阵列作为起始材料制备活性非晶态催化剂层的简易表面引导方法。然后，在室温下，在FeSO₄溶液中，Fe²⁺和MnO₂纳米片之间通过简单的电偶置换反应启动表面重建过程，有助于快速形成无定形混合金属氢氧化物（表示为ammo@MnO₂)通过锰的选择性溶解和镍、铁的同时沉淀在纳米片上形成覆盖层。令人印象深刻的是ammo@MnO₂催化剂只需要232 mV的过电位，就可以在1 mKOH中获得10 mA cm^-2的电流密度，这远远小于镍锰氧和NF参考样品的相应值307和338 mV。重要的是ammo@MnO₂催化剂在碱性条件下表现出较高的OER稳定性，在计时电位测试中，在电流密度为100ma cm^-2的条件下，提供至少40h的稳定过电位。