浙江师范大学高学会教授课题组， JMCA观点：氧空位和形态学工程构建提升NiFe-LDH的析氧活性- 大数跨境

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浙江师范大学高学会教授课题组， JMCA观点：氧空位和形态学工程构建提升NiFe-LDH的析氧活性

科学材料站

2021-10-01

导读：本文报道了通过简单的水热法以及后续的硼氢化钠辅助还原策略成功制备了富含氧缺陷的三维NiFe LDH微管结构

文章信息

氧空位和形态学工程构建提升NiFe-LDH的析氧活性

第一作者：刘书绚，张慧雯，胡恩来

通讯作者：高学会

单位：浙江师范大学

研究背景

电化学水分解技术被认为是一种高效生产清洁可再生氢能的有效途径。然而，其析氧反应（OER）涉及四个电子转移和多个中间产物，导致其动力学过程缓慢，过电位较大。因此迫切需要一种高效，廉价，稳定的电催化剂来有效降低过电位。

层状双氢氧化物（LDH）是一种由带正电荷的金属层和层间平衡电荷的阴离子组成的二维层状离子晶体，因其可调控的化学成分和电子结构等特点而被广泛应用于电池、超级电容器和水裂解等领域。然而，活性位点数量有限、电导率较差和纳米片易堆积的特性严重阻碍了其OER性能的进一步提升。

文章简介

基于此，浙江师范大学特聘教授高学会课题组，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A 上发表题为“Boosting Oxygen Evolution Activity of NiFe-LDH Enabled by Oxygen Vacancy and Morphological Engineering”的研究文章。

本文报道了通过简单的水热法以及后续的硼氢化钠辅助还原策略成功制备了富含氧缺陷的三维NiFe LDH微管结构，该催化剂中氧空位能够有效调节催化剂的电子结构、提升其电导率，从而增强其催化活性；独特的分级结构能确保活性位点充分暴露，同时使电催化剂在恶劣环境中具有良好的循环稳定性。

此外，采用密度泛函理论（DFT）揭示了催化活性提升的机制，表明氧空位的引入能优化OER动力学过程。此文为制备廉价、高效的OER催化剂提供了重要参考。

文章要点

要点一：富含氧空位的NiFe LDH催化剂的简单合成和表征

采用水热法制备出Ni前驱体，其作为自牺牲模板与Fe2+、CO32-和OH-反应生成NiFe LDH微管，随后通过NiFe LDH与NaBH4发生氧化还原反应引入氧空位，得到了富含氧空位的双金属催化剂v-NiFe LDH。v-NiFe LDH是典型的由多孔二维纳米片组成的分级结构，具有高的比表面积和稳定性。

图1 v-NiFe LDH的形貌图和氧空位表征图

要点二：优异的OER活性和稳定性

v-NiFe LDH在1M KOH溶液中表现出优异的OER性能，在10 mA cm-2的电流密度下，v-NiFe LDH的过电位仅为195 mV，明显优于NiFe LDH和大多数文献中报道的NiFe基催化剂。在高电流密度下，其OER活性明显高于商用RuO2。

此外，得益于独特的分级结构和丰富的氧空位，催化剂也表现出优异的电化学稳定性，在10 mA cm-2电流密度下持续催化26 h后，电流保持率高达98.4%。

图2 催化剂的OER性能评估图

要点三：不同氧空位浓度对OER活性和反应动力学的影响

在相同NaBH4溶液（1 M）浓度下，过改变浸泡时间（10 min、20 min、30 min）来研究不同的氧空位浓度对OER活性和动力学的影响，结果表明v-NiFe LDH的OER电化学催化活性和反应动力学与氧气空位浓度呈火山类型依赖关系。

图3 氧空位浓度与催化剂活性和动力学的关系图

要点四：DFT计算揭示高OER活性的起源

DFT计算结果表明，Fe位点为该催化剂的主要活性位点，同时氧空位的引入有效降低了OER过程的决速步的反应能垒（*OH→*O），加快OER动力学过程，电子态密度（DOS）计算结果表明氧空位的引入能有效降低带隙宽度，促进电子转移，增强导电率，从而有效提高OER催化性能。

图4 DFT计算

文章链接

“Boosting Oxygen Evolution Activity of NiFe-LDH Enabled by Oxygen Vacancy and Morphological Engineering”

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/TA/D1TA06263H

通讯作者简介

高学会博士。

2017年6月获得浙江大学材料物理与化学专业博士学位。毕业后在新加坡国立大学从事博士后研究工作，2019年初加入浙江师范大学生化学院，任“双龙学者”特聘教授。主要从事新能源材料与器件的设计开发及相关基础研究。迄今为止，在电化学及材料化学领域内顶级杂志共发表学术论文30余篇，包括Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., J. Mater. Chem. A, Nano energy等，ISI检索被引用2300余次，单篇被引600余次，授权和申请专利12项。担任多种国际一流期刊，如：Nanoscale Horizons, ACS Applied Energy Materials等多个国际著名学术期刊的审稿人。

课题组介绍

新能源新材料联合实验室是由浙江师范大学联合北美高校所共同组建，致力于打造国内顶尖、世界一流的国际化研究型开放平台。实验室将依据国内新能源新材料发展的需求，针对下一代高能量密度储能技术和大规模低成本储能应用来开展基础研究，加快高性能动力电池和低成本电网储能等清洁储能技术的产业化应用并为其提供技术支持。实验室集聚电化学、纳米材料、电池、模型模拟等具有交叉学科背景的海外优秀人才，拟开展新能源新材料方向、智能控制系统等方向的研究。

团队具有国际视野和国际化平台，核心成员由世界顶尖院校的教授与博士组成，是一支年富力强、充满活力的研究团队。团队围绕先进纳米材料和清洁能源开展研究工作，在纳米材料、多孔材料和碳材料的合成，及其在能源转化与存储领域，特别是燃料电池、金属空气电池、锂／钠离子电池和超级电容器等方向取得了显著成就。团队核心成员在Nature子刊系列, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Nano Letters, Advanced Energy Materials, Energy and Environmental Science等高水平期刊发表一系列文章。团队具备完善的材料合成、器件组装、性能测试以及多种材料分析平台，诚待有志之士加盟。

毛治宇博士。

2016年8月获得加拿大滑铁卢大学化学工程博士学位，其后继续留任博士后研究，2021年7月加入浙江师范大学生化学院，任特聘教授。主要从事电化学反应工程、电极反应动力学、电极数学模型、电化学储能技术、人工智能及大数据在电池管理系统中的应用等应用基础及产学研究。主持或参与加拿大国家自然科学基金（RGPIN-170912）、加拿大政府MITACS产学研项目、美国通用汽车（GM）加拿大合作项目(APCPJ 395996-09)等，在电池类权威期刊Electrochimica Acta, J. Electrochem. Soc.等，发表工程类文章10余篇,申报及授权国内外专利10余项。

张璟博士。

2019年6月获得加拿大滑铁卢大学博士学位，毕业后继续在加拿大滑铁卢大学从事博士后研究工作，2021年9月加入浙江师范大学生化学院，任“双龙学者”特聘教授。主要从事新能源材料与器件的设计合成及相关基础研究。迄今为止，在电化学及材料化学领域内顶级杂志共发表学术论文30余篇，包括Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano energy, InfoMat, Small Methods等。

课题组招聘

招聘需求:

电化学储能科学及工程领域（锂离子电池、燃料电池、液流电池、理论计算等）招聘：3-5人

岗位1：锂离子/锂硫电池、金属-空气电池、燃料电池、理论计算；

1.拥有化学、材料、化工或物理（高分子物理）背景博士学位，具有扎实的材料设计合成和电镜测试（操作和数据分析）基础，接受过严格的专业训练，有一定的实验操作能力和严谨思维、独立解决问题的能力；

2. 具有良好的英语听说读写能力，在英文期刊上发表过高水平文章；

3. 热爱科学研究，勤奋努力、服从安排、踏实好学；

岗位2：电池模型模拟、寿命机理研究(锂离子电池、燃料电池、金属空气电池及其它新型电池等)

1. 研究方向：电化学工程、动力学、多尺度模型、电池管理系统、寿命研究、其它相关电池技术，以及机器学习、大数据分析等；

2. 拥有电化学/化学工程/材料工程/计算机/数学等专业背景博士学位，有电池、BMS、汽车等企业工作经验者优先；熟练应用C, C++,Matlab, COMSOL, Python等语言或软件者优先；

3. 发展实验、模型、大数据分析等分析方法，研究电池系统、寿命、热性能等，优化电化学体系设计，提高电池性能及制造工艺，开发新型电池体系、状态估计、管理系统（BMS）等相关技术；

4. 发展电池模型，包括但不限于材料模型、电化学模型、多尺度多维度模型、等效电路模型、数据驱动模型等；测量模型参数，设计实验，并验证模型的有效性；

5. 发表学术论文，申请技术专利。

岗位3：固态离子导体

1. 全固态电池/燃料电池中的先进固态电解质材料研究，包括质子导体/氢氧根离子导体/锂离子导体等；

2. 固态电解质与电极材料界面反应机理研究；

3. 新型固态及柔性电池的制备；

申请要求：

1. 化学、材料、物理等相关专业博士学位，拥有离子液体、金属空气电池和燃料电池等研究背景的申请人优先考虑；

2. 有丰富固态电解质合成经验，并对各类离子传导机理有深入理解的申请人优先考虑；

3. 较强的英文读写及表达能力；

4. 负责认真，对技术问题有钻研精神与独立思考能力，具备良好的团队精神及沟通能力；

岗位4：液流电池体系及材料

岗位职责：

1. 液流电池中离子交换膜及电极材料的制备与测试；

2. 液流电池新型电解液体系的开发；

3. 协助相关研究同事，完成材料制备与测试设备的搭建。

申请要求：

1. 化学工程/材料科学/高分子材料工程/能源动力工程/过程控制工程等专业博士学历；

2. 掌握基本的高分子材料合成能力以及膜材料成型的一般方法，熟练操作膜材料制备和表征的相关仪器。有离子交换膜材料研发、液流电池、燃料电池等相关领域的研究和工作经验者优先考虑；

3. 较强的英文读写及表达能力；

4. 负责认真，对技术问题有钻研精神与独立思考能力，具备良好的团队精神及沟通能力；

薪资待遇:

基年薪25-35万元人民币（学校待遇+课题组待遇）；

进站后可获10万元科研启动费；

在站期间可租住学校住房，或由学校提供租房补贴1200元/月；

博士后期间以浙江师范大学为第一署名单位发表的论文纳入学校科研奖励范围；

中期、出站考核，考核优秀者可享受考核奖2万元人民币；

注：博士后人员出站考核优秀，符合所在学科招聘计划的，可直接聘用，并享受当年人才引进相关政策待遇，其博士后期间的科研成果可纳入A类博士、青年教授（副教授）、高层次青年人才培养项目等聘期目标任务考核范围。

应聘材料和联系方式：

联系人：毛老师

每年招收博士后3-5名，本招聘长期有效，欢迎有意者将个人简历、代表性成果等材料，发送至邮箱zhymao@zjnu.edu.cn。

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