上科大杨楠课题组 JMCA：高效无定形Fe掺杂钨酸钴全解水催化剂的设计应用- 大数跨境

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上科大杨楠课题组 JMCA：高效无定形Fe掺杂钨酸钴全解水催化剂的设计应用

科学材料站

2021-04-15

导读：本文用一种简便、廉价的共沉淀方法制备可大规模生产的非晶态的掺Fe的CoWO4双功能电催化剂。

文章信息

简便共沉淀法合成无定形铁掺杂的钨酸钴电催化剂，用于高性能全解水

第一作者：吴进

通讯作者：杨楠*

单位：上海科技大学

研究背景

氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，有助于缓解能源危机和环境污染等问题。电解水制氢具有高能量转换效率、大规模生产的能力，被认为是非常有前途的技术。电解水分为阳极的析氧反应（OER）和阴极的析氢反应（HER）

迄今为止，贵金属Pt和Ir/Ru氧化物被认为是最先进的电催化剂，然而其高成本、低储量限制了广泛应用，因此，探索具有成本效益且高效稳定的，特别是能够在同一电解质中驱动HER和OER的双功能电催化剂作为替代物是至关重要的。

文章简介

基于此，来自上海科技大学物质科学与技术学院的的杨楠教授，在国际知名期刊Journal of Material Chemistry A上发表题为“High-Performance Overall Water Splitting Based On Amorphous Iron Doped Cobalt Tungstate Via Facile Co-precipitation”的研究工作。

在这项工作中，作者用一种简便、廉价的共沉淀方法制备可大规模生产的非晶态的掺Fe的CoWO4双功能电催化剂。在1 M KOH中，驱动OER和HER达到10 mA cm-2的电流密度分别仅需259和118 mV的低过电势。

此外，在50 mA cm-2的条件下至少15小时未观察到可检测到的电位衰减，显示了其出色的长期稳定性。

最后，作者将非晶Fe掺杂的CoWO4作为双功能电催化剂用于全水解研究，证明了这种双功能催化剂仅需要1.55 V的低电池电压即可达到10 mA cm-2的电流密度，优于基准IrO2 || Pt/C电池。

图｜A-CFWO无定形电催化剂的全水解示意图

本文要点

要点一：简便、可用于大规模工业生产的共沉淀法

据作者所知，大多数基于CoWO4的电催化剂都是通过涉及危险溶剂，高温或高蒸气压的合成路线制备的，这些路线难以轻易推广并用于商业化。

例如，B. Zhang等开发了一种室温合成方法来生产具有均匀阳离子分布的胶体FeCoW羟基氧化物材料，但是，上述合成过程中涉及的环氧丙烷可能对人体健康有害。

F. Luo等通过水热法和高温氢还原过程合成了非化学计量的钨酸钴纳米颗粒（CoWO4-x@C），作为一种有效的双功能电催化剂。然而，水热合成方法涉及高蒸气压，可能难以适应工业水平的生产过程。

因此，至关重要的是开发一种可用于大规模生产基于CoWO4的电催化剂的简便化学路线。在这方面，本工作研究人员在室温以及温和条件下设计和合成了无定形的Fe掺杂的CoWO4的电催化剂，该方法非常简便，并且可以与大规模工业生产兼容。

要点二：巧妙的无定形结构的设计

对于大部分晶体催化剂，电催化的发生仅仅停留在催化剂的表面，反应的活性位点非常有限，相比而言，研究表明非晶材料可以提供一些优势。

首先，非晶催化剂可以暴露出更多的缺陷，如配位缺陷，其中它们被认为是反应的活性位点。

其次，非晶催化剂中可能同时存在体积和表面受限的电催化过程，从而导致更大的电解质-催化剂界面。

再者，与具有相同组成的结晶催化剂相比，非晶催化剂具有更高的稳定性，这归因于其结构上的柔韧性和自我修复能力。

本工作的无定形结构的设计提供了大量的无序缺陷，这些缺陷已被证明可以有效地与具有桥连和末端几何形状的OH-结合，从而增加了反应活性位点的浓度，提高了催化活性。

要点三：A-CFWO催化剂的高效全解水性能

在这项工作中，提出了一种简单且经济的合成策略，通过制备非晶态Fe掺杂的CoWO4 (A-CFWO)，探索碱性条件下整体水分解的高效双功能电催化剂。

基于CoWO4的催化剂的OER和HER活性都显示出对结晶度和铁掺杂过程的强烈依赖性。A-CFWO在1 M KOH中仅需要259和118 mV超电势，以使OER和HER的电流密度达到10 mA cm-2。

对于15 h的长期稳定性测试，在50 mA cm-2的电流密度下未观察到电位的明显衰减。通过TEM和XPS分析的结果，发现A-CFWO与C-CFWO和A-CWO相比具有更高的Co氧化态和更大的比表面积，这与提高其电催化活性有关。将A-CFWO用作双功能电催化剂，开发了一种两电极的全水解池，仅需1.55 V的低电压即可达到10 mA cm-2的电流密度，优于市售IrO2 || Pt/C电池和许多最近报道的双功能电催化剂。

此外，为了进一步展示该无定形催化剂的优异性能，课题组成员还成功通过一节1.5 V的5号电池驱动了全水解。这项研究可以为开发用于整个水分解应用的高效双功能电催化剂提供一种简便实用的合成途径。

图｜1.5 V的电池驱动A-CFWO无定形催化剂全水解

文章链接

High-Performance Overall Water Splitting Based On Amorphous Iron Doped Cobalt Tungstate Via Facile Co-precipitation

https://doi.org/10.1039/D1TA00001B

通讯作者介绍

杨楠教授。

2013年毕业于罗马大学化学科学与技术学院，获得博士学位；2013年至2014年，于罗马大学信息技术工程学院从事博士后研究；2014年至2016年3月，任尼可罗库萨诺大学工程系材料物理研究员；2016年4月，加入上海科技大学物质科学与技术学院，任助理教授。杨楠教授的主要研究应用领域包括固体氧化物燃料电池（SOFC），新型固态离子器件的设计，光电化学池以及电催化全解水的研究。以第一作者和通讯作者身份在ACS Nano, Nano Lett., J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Phys. Chem. C,等学术刊物上发表多篇研究论文。

吴进，上海科技大学物质科学与技术学院在读硕士研究生。

研究方向：电催化全解水，高效多功能电催化剂的合成设计。以第一作者或其他作者身份在J. Mater. Chem. A，Energy Technol.，J. Solid State Chem.等期刊发表研究论文。

课题组介绍

课题组致力于设计高效电化学材料的设计及制备。一方面制备实验模型体系，通过多维度的材料表征结合性能解析对应的“构效关系”，为能源材料的理性设计提出新的策略。另一方面，将上述结论应用于设计廉价，高效，稳定的纳米电化学材料。主要应用方向包括固体氧化物燃料电池，电水解池以及新原理固态能量转换器件等等。

更多信息请参考课题组主页：

https://spst.shanghaitech.edu.cn/2018/0301/c2349a51312/page.htm

课题组招聘

课题组欢迎优秀博士后，硕/博士研究生，和本科生加入！有意者请邮件至 yangnan@shanghaitech.edu.cn。