王斌副教授、杨生春教授，ACB：高活性Fe(Cr)OOH/Fe3O4异质结在碱性海水、生活污水中的OER性能研究- 大数跨境

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王斌副教授、杨生春教授，ACB：高活性Fe(Cr)OOH/Fe3O4异质结在碱性海水、生活污水中的OER性能研究

科学材料站

2021-11-04

导读：该文章通过一种简单的制备流程，在泡沫镍基底上构筑了Fe(Cr)OOH/Fe3O4/NF异质结构，所制备的Fe(Cr)OOH/Fe3O4/NF具有粗糙多孔的表面形貌

研究背景

Fe(Cr)OOH/Fe3O4异质结构及其在碱性海水、生活污水中的OER性能研究

第一作者：李璐，张耕玮

通讯作者：王斌*，杨生春*

单位：西安交通大学

研究背景

氢能具有能量密度高与无碳排放的优点，被认为是理想的绿色能源载体。目前，甲烷蒸汽重整制氢占据了氢气总产量的95 %，仅有5 %的氢气是通过电解水方式生产。甲烷蒸汽重整过程仍然会产生大量CO2，违背了发展清洁能源以降低碳排放的初衷。

电解水作为最具发展前景的制氢方式，能够将间歇性可再生能源转换为氢能，已成为近年来的研究热点。电解水反应中，阳极析氧反应（OER）为4电子转移过程，动力学缓慢，反应能垒较大，是水分解反应的瓶颈。

文章简介

基于此，来自西安交通大学的王斌副教授和杨生春教授在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Constructing the Fe/Cr double (oxy)hydroxides on Fe3O4 for Boosting the Electrochemical Oxygen Evolution in Alkaline Seawater and Domestic Sewage”的文章。

该文章通过一种简单的制备流程，在泡沫镍基底上构筑了Fe(Cr)OOH/Fe3O4/NF异质结构，所制备的Fe(Cr)OOH/Fe3O4/NF具有粗糙多孔的表面形貌，有效提升了电极的亲水性，能够促进反应物传质。在1 M KOH电解液中，采用Fe(Cr)OOH/Fe3O4/NF作为阳极的双电极电解水装置在10与500 mA cm-2电流密度时所需的电压分别仅为1.48与1.66 V。

同时，Fe(Cr)OOH/Fe3O4/NF在碱性海水与生活污水中也具有良好的OER活性与稳定性。该工作提供了一种易于推广的廉价催化剂制备策略，能够为电解水催化剂的实际应用提供参考。

图1. Fe(Cr)OOH/Fe3O4/NF异质结构促进OER的示意图。

文章要点

要点一：界面处协同作用降低过电位

Fe3O4表面OH*转变为O*的ΔG为2.85 eV，为反应决速步，对应的理论过电势（η）较高，为1.62 V；这表明Fe3O4的OER催化活性较差，其原因是Fe3O4表面对OH*与OOH*的吸附相对过强，而对O*的吸附较弱。

将FeOOH与Fe3O4复合后，FeOOH/Fe3O4表面的决速步未变，而决速步ΔG减小至1.89 eV，对应η减小至0.66 V，表明FeOOH与Fe3O4的复合有效减弱了材料表面对OH*与OOH*的吸附，降低了催化剂的OER反应能垒。

进一步引入Cr异质原子后，发现Fe(Cr)OOH/Fe3O4表面存在Cr与Fe两种活性位点，这两种位点的决速步依然为OH*转变为O*的过程，其中Cr位点的决速步ΔG较大，为2.55 eV，对应的η为1.32 V，但其临近的Fe位点的决速步ΔG仅为1.78 eV，对应的η仅为0.55 V，表明虽然Cr位点自身的OER性能较差，但是Cr原子有效降低了Fe(Cr)OOH/Fe3O4中临近Fe位点的OER反应能垒。因此，引入Cr异质原子能够有效提升Fe(Cr)OOH/Fe3O4的OER催化活性。

要点二：增强导电性

金属氧化物Fe3O4的电化学电导率较差，限制了其在大电流密度下的性能。FeOOH与Fe3O4复合后在导带底出现了新的电子态，表明FeOOH与Fe3O4的复合提升了催化剂的电荷传输性能。

引入Cr原子后，Fe(Cr)OOH/Fe3O4在费米能级处的态密度相较于FeOOH/Fe3O4明显增加。费米能级处的态密度越高，则材料的金属性越强，材料表面的电子给予和转移能力越强，表明Cr的引入提升了催化剂的电荷传输性能。

要点三：亲水表面

通过对材料进行表面改性，能够优化催化剂的亲水性，从而促进反应物与产物的传质与扩散，对于提升催化剂的性能，尤其是大电流密度条件下的催化性能至关重要。

1 M KOH电解液的液滴在空白泡沫镍表面的接触角为82°，而液滴接触到Fe(Cr)OOH/Fe3O4/NF时，迅速浸润到泡沫镍内部，无法观察到接触角，说明Fe(Cr)OOH/Fe3O4显著提升了电极的亲水性，有利于反应物与产物的传质与扩散，从而能够促进电化学反应过程。

要点四：易于大规模制备

相较于许多电解水催化剂所需的复杂制备流程，Fe(Cr)OOH/Fe3O4/NF的制备方法简单，易于大规模制备。

该工作中所制备的400 cm2的Fe(Cr)OOH/Fe3O4/NF样品中不同区域均具有粗糙多孔的表面形貌，催化剂均匀的包覆在泡沫镍表面，具有良好的均一性，有效证明了Fe(Cr)OOH/Fe3O4/NF易于规模化制备的特性。

文章链接

“Constructing the Fe/Cr double (oxy)hydroxides on Fe3O4 for Boosting the Electrochemical Oxygen Evolution in Alkaline Seawater and Domestic Sewage”

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337321009723

通讯作者简介

王斌副教授

西安交通大学物理学院副教授，主要关注纳米能源材料在太阳能光催化、电催化分解水、燃料电池等领域的研究和应用。在"Adv. Energy. Mater.", “Appl. Catal. B”, “Chem. Eng. J.”, “Small Methods”等期刊发表论文近40篇。

杨生春教授

西安交通大学物理学院教授，博士生导师。主要从事功能纳米材料的可控合成及其在光学、燃料电池、纳米催化、超级电容器、生物载药等领域的应用研究。在“ JACS ”, “Chem Soc Rev", "Adv. Energy. Mater.", “Adv. Funct. Mater.”，“Nano Energy”，“Appl. Catal. B”，“Adv. Sci.”和“Small"等国际国内期刊发表学术论文100余篇，获得授权国家发明专利20项。

第一作者简介

李璐西安交通大学物理学院博士研究生

研究方向为电催化分解水制氢。

张耕玮现为昆明理工大学冶金与能源工程学院讲师

2021年6月博士毕业于西安交通大学，博士期间研究方向为电催化分解水制氢。