郭俊杰教授、孙子其教授，JMCA观点：Fe掺杂诱导局域非晶化实现超薄α-Ni(OH)2纳米筛优异析氧反应催化- 大数跨境

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郭俊杰教授、孙子其教授，JMCA观点：Fe掺杂诱导局域非晶化实现超薄α-Ni(OH)2纳米筛优异析氧反应催化

科学材料站

2021-06-18

导读：该工作实现了对超薄α-Ni(OH)2纳米筛的局域非晶化程度的定量控制，完成了局域非晶化程度对OER催化性能的定量研究，提出了非晶化程度与催化活性的准线性关系。

文章信息

Fe掺杂诱导局域非晶化实现超薄α-Ni(OH)2纳米筛优异析氧反应催化

第一作者：宋艳慧

通讯作者：郭俊杰*，孙子其*

单位：中国太原理工大学，澳大利亚昆士兰科技大学

研究背景

电化学水分解作为一种富有前景的清洁燃料制备方法备受关注，但缓慢的阳极析氧反应（OER）严重阻碍了其实际应用。

近年来，研究发现电催化材料的非晶化调控对催化性能有关键影响并对特定催化的提升作用明显。然而，非晶化程度、非晶区域大小、非晶/晶体界面控制仍然非常困难，导致局域非晶化程度对催化性能的影响机理不明，因此阻碍了此类材料的推广应用。

文章简介

针对上述难点，来自太原理工大学的郭俊杰教授与昆士兰科技大学的孙子其教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Fe-doping induced localized amorphization in ultrathin α-Ni(OH)2 nanomesh for superior oxygen evolution reaction catalysis”的研究工作。

该工作实现了对超薄α-Ni(OH)2纳米筛的局域非晶化程度的定量控制，完成了局域非晶化程度对OER催化性能的定量研究，提出了非晶化程度与催化活性的准线性关系。

研究表明这种杂原子掺杂引起的非晶结构与催化剂的催化活性直接相关。该研究为理解现有非晶化催化剂设计提供了理论基础并为新一代高性能催化剂结构设计提出了一个有效的研究方向。

图1. 有效改善OER催化性能的局域非晶化α-NixFey(OH)2纳米筛的制备示意图。

本文要点

要点一：α-NixFey(OH)2的形貌表征

图2. α-Ni(OH)2和α-Ni0.75Fe0.25(OH)2的形态和结构表征。(a) 不同掺杂量的α-NixFey(OH)2的光学照片。(b) α-Ni(OH)2的TEM图像，插图是α-Ni(OH)2的SEM图像。(c) α-Ni0.75Fe0.25(OH)2的TEM图像，插图为α-Ni0.75Fe0.25(OH)2的SEM图像。(d) α-Ni(OH)2的相应选区电子衍射（SAED）图像。(e) α-Ni0.75Fe0.25(OH)2的相应SAED图像。(f) α-Ni(OH)2的HRTEM图像和孔径分布曲线（插图）。(g) α-Ni0.75Fe0.25(OH)2的HRTEM图像和孔径分布曲线（插图）。(h) α-Ni(OH)2的N2吸附-解吸等温线和孔径分布（插图）。(i) α-Ni0.75Fe0.25(OH)2的N2吸附-解吸等温线和孔径分布（插图）。

作者通过使用NaBH4作为“发泡剂”和共沉淀剂，通过原位合成方法制备了α-NixFey(OH)2。随着Fe掺杂量的变化，得到的样品呈现出明显不同的颜色，表明Fe掺杂显着改变了α-Ni(OH)2的电子结构。

同时，α-Ni(OH)2和α-Ni0.75Fe0.25(OH)2的均为2D纳米筛结构，且Fe掺杂后，样品的比表面积增加，这可以提供大量活性位点。

要点二：α-NixFey(OH)2的无定型和化学成分表征

图3. α-NixFey(OH)2的无定形和化学成分表征。(a) α-Ni(OH)2，(b) α-Ni0.9Fe0.1(OH)2，(c) α-Ni0.83Fe0.17(OH)2，(d) α-Ni0.75Fe0.25(OH)2，(e) α-Ni0.67Fe0.33(OH)2和(f) α-Ni0.5Fe0.5(OH)2的HAADF-STEM图像。(g) 掺杂不同Fe含量的样品的非晶面积比。(h) 分别为α-Ni(OH)2和α-Ni0.75Fe0.25(OH)2的XRD图。(i) 分别为α-Ni(OH)2和α-Ni0.75Fe0.25(OH)2的高分辨率Ni 2p和Fe 2p XPS光谱。

通过HAADF-STEM图像（图3a-f）分析可知，纳米筛的非晶相的含量随着Fe掺杂量的增加而增加，且25 at%时达到最高（图3g，~78%），XRD（图3h）同样证明了此结果。

同时，高分辨XPS表明，Fe掺杂后，Ni 2p峰向高结合能方向移动，表明Ni和Fe之间的强电子相互作用。

要点三：α-NixFey(OH)2在碱性条件中OER性能

图4. α-NixFey(OH)2的电化学测量。(a) 5 mV s-1处的OER极化曲线。(b) α-NixFey(OH)2催化剂的过电位（J = 10 mA cm-2）、质量活性（η = 350 mV）和无定形面积比与Fe含量之间的关系。(c) 在J = 10 mA cm-2 处过电位与非晶面积比的函数关系。(d) α-NixFey(OH)2的TOF值。(e) 分别为α-Ni(OH)2和α-Ni0.75Fe0.25(OH)2的OER反应路径图。(f) α-NixFey(OH)2的Cdl和ECSA值。

如图4a-b所示，α-Ni0.75Fe0.25(OH)2催化剂具有最高的OER活性，在J = 10 mA cm-2处的过电位为265 mV。350 mV处的质量活性为369.4 A g-1。

从图4c可以看出，非晶面积比与OER催化性能呈显著正相关，即较高的非晶面积比导致较低的过电位，即使这种相关性并不完全服从线性关系。同时，α-Ni0.75Fe0.25(OH)2催化剂具有最大的TOF值（图4d，0.171 s-1）。

除此之外，DFT结果（图4e）表明，在碱性条件下，Fe掺杂可有效降低OH*转化为O*的能垒，加速步骤，从而提升OER性能。

文章链接

Fe-doping induced localized amorphization in ultrathin α-Ni(OH)2 nanomesh for superior oxygen evolution reaction catalysis

https://doi.org/10.1039/D1TA02341A

通讯作者介绍

郭俊杰教授.

太原理工大学教授，博导。长期从事低维材料的结构调控、原子结构解析及其在能源环境领域的应用。以第一作者或通讯作者身份在Nature Communications，Nano Energy，Small，Acta Materials，Journal of Materials Chemistry A等学术刊物上发表论文100余篇。

联系邮箱：guojunjie@tyut.edu.cn

孙子其教授.

澳大利亚昆士兰科技大学教授（full professor）、澳大利亚未来学者（future fellow）称号获得者。长期从事纳米材料的微纳结构设计以及在可持续能源与环境领域的应用。已在国际高影响力刊物如Nature Nanotechnology, Nature Communications, Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society等发表论文130余篇。

联系邮箱：ziqi.sun@qut.edu.au

第一作者介绍

宋艳慧，太原理工大学博士研究生。

于2019-2020年受CSC博士联合培养基金支持在昆士兰科技大学学习。