冯立纲教授， ACB：用于析氧反应的FeNi基纳米粒子的表面结构调控及评估- 大数跨境

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冯立纲教授， ACB：用于析氧反应的FeNi基纳米粒子的表面结构调控及评估

科学材料站

2021-06-22

导读：该观点文章发现通过热氧化和（或）还原方法可以对FeNi预催化剂进行表面结构调控能够进而提高OER的催化性能。

文章信息

用于析氧反应的FeNi基纳米粒子的表面结构调控及评估

第一作者：顾晓丛

通讯作者：冯立纲*

单位：扬州大学

研究背景

析氧反应(OER)在可持续能源转换系统中有多种应用，由于其本质上缓慢的动力学，涉及复杂的四电子转移过程，为了提高能量转化效率，迫切需要高效低成本的电催化剂来降低能量势垒和加速催化反应。在候选催化剂中，铁镍基合金催化剂因其高效的协同作用和富含稀土的特性而名列前茅。

本篇采用一种简单可控的低温O2蚀刻和（或）H2还原逆转策略来调节FeNi预催化剂的表面化学状态。用光谱技术研究了晶体结构和表面化学状态的演变，以了解电化学性能。

研究的结果可以分析不同方法制备的FeNi预催化剂的不同性能，并且简易的表面结构优化将是其性能提升和制备有效催化剂的策略。本研究可以回答为什么不同的铁镍催化剂具有不同的催化性能或着仙它们的催化性能差异。

文章简介

本文中，来自扬州大学化学化工学院的冯立纲教授，在Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Surface structure regulation and evaluation of FeNi-based nanoparticles for oxygen evolution reaction”的研究文章。

该观点文章发现通过热氧化和（或）还原方法可以对FeNi预催化剂进行表面结构调控能够进而提高OER的催化性能。通过一些光谱技术和电化学测量证实，处于完全氧化或金属状态的FeNi预催化剂的表面结构活性较低，只有金属氧化物和表面金属态的适当协同作用才能有效催化OER反应。

优化后的FeNi催化剂只需要230 mV的过电位就能达到10 mA·cm-2，而且具有更快的催化动力学、良好的稳定性和高活性位点效率，在电解水析氧反应领域显示出巨大的潜力。

本文要点

要点一：FeNi基纳米粒子的合成示意图以及成分分析

图1. FeNi基纳米粒子的合成示意图以及对应的XRD图谱。

图1a显示了FeNi基纳米粒子由热氧化和（或）还原方法导致的表面结构调整的示意图。通过水合肼还原铁和镍盐的混合溶液制备了铁镍预催化剂，然后将部分制备好的FeNi预催化剂在空气中热氧化和（或）氢气中热还原，得到不同表面状态改变的铁镍纳米粒子；

图1b进一步通过粉末x光衍射(XRD)探测样品的晶体结构，结果表明由于铁/镍氧化物还原形成更多的FeNi合金，晶体尺寸增加。这些样品的晶体结构可以通过简单的热氧化和还原方法进行调节。

要点二：FeNi基纳米粒子的初步OER性能分析以及表面化学状态的表征

图2. FeNi-P、FeNi-O、FeNi-H、FeNi-O/H和FeNi-H/O的极化曲线。(b)FeNi-P、FeNi-O、FeNi-H和FeNi-O/H的Ni 2p和(c) Fe 2p XPS光谱，以及(d)拉曼光谱。

图2a极化曲线表明经过热氧化或还原处理后，FeNi-O和FeNi-H的催化能力都得到了提高， FeNi-O/H显示出对OER最佳催化能力，在10 mA·cm-2的过电位为230 mV。

从图2b-d，XPS光谱以及拉曼光谱分析表明，FeNi预催化剂经过热氧化和热还原以后有相应的金属氧化态的增加和金属单质生成。FeNi样品的表面氧化和还原状态可以通过简单的热氧化和还原方法调节。

要点三：FeNi-O以及FeNi-O/H催化剂的形貌及结构表征

图3.（a）FeNi-O的TEM图像和(b) HRTEM图像。(c) FeNi-O/H的TEM图像和(d–e)HRTEM图像，(f)选定区域电子衍射图，(g) EDX光谱，(H–k) STEM和元素映射图。

图3a-b对于FeNi-O样品,观察到纳米颗粒的形态，表面粗糙, 具有明显的晶格条纹, 对应NiO的(012)面和Fe2O3的(311)面。

图3c-d中FeNi-O/H没有明显的形态变化, HRTEM清晰地显示了有厚度约为3 nm的缺陷层，图3e也发现Fe2O3这样的氧化物金属物种,其可能在表面还原过程中形成；

在图3e也发现Fe2O3氧化物金属物种，表明由FeNi-O表面还原产生的缺陷层。由于氧化和还原相互作用的结合，因此在缺陷层的中部观察到晶体变形。

EDX光谱（图3g）显示了氧、镍和铁元素的强信号，镍与铁的含量比为3/1，这也与原始FeNi-P样品的组成一致。

要点四：FeNi基纳米粒子优异的OER性能分析

图4.（a）极化曲线。(b) Tafel斜率。(c) EIS图谱。(d) Cdl 图谱。(e) 比活度。(f) 电流效率。

在1 M KOH的OER性能测试表明（图4a-f），FeNi-O/H显示出对OER最佳的催化能力，在10 mA·cm-2的过电位仅仅为230 mV，并且具有最优的催化动力学以及较大的电化学表面积，催化电流效率接近100%。

要点五：FeNi-O/H的稳定性以及OER测试后相关分析

图5.（a）FeNi-O/H在1000循环稳定性测试前后的极化曲线（插图：计时电流曲线）。FeNi-O/H稳定性测试后（b）XRD图谱，(c) Ni 2p和 (d) Fe 2p的XPS谱图。(e）HRTEM图像。

图5a表明FeNi-O/H具有良好的稳定性，图5b测试后XRD图谱表明FeNi合金和它们的氧化物的混合相对OER表现出高性能，同时XPS分析（图5c-d）观察到Ni3+/ Ni2+的和Fe3+/Fe2+的含量增加，虽然镍和铁之间的协同效应的来源在理论和实验上仍有争议，

但人们一致认为铁和镍的耦合提高了OER的催化性能。测试后仍然可以在高分辨率的透射电镜图像中显示缺陷层（图5e），但是由于高电位驱动的表面氧化，缺陷层看起来更无定形。

文章链接

Surface structure regulation and evaluation of FeNi-based nanoparticles for oxygen evolution reaction”

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120462

通讯作者介绍

冯立纲，博士，现为扬州大学化学化工学院教授，博士生导师。

江苏特聘教授（2017）, 河北邢台人。2012年于中国科学院长春应用化学研究所物理化学（专业）获得博士学位，先后在瑞士洛桑联邦理工大学和瑞典查尔莫尔理工大学进行博士后科学研究工作，2016年作为校特聘教授引进到扬州大学化学化工学院工作，于2017年入选江苏特聘教授计划,2018年获江苏省六大人才高峰支持。研究工作围绕燃料电池、氢能储存及转化展开，着重研究高效电极材料和电催化反应机理。在SCI期刊上发表学术文章100多篇，相关论文被引用5000多次，单篇最高被引1000多次,申请多项专利,多篇文章入选ESI高被引文章。