John Wang&寇宗魁Nano Energy：协同Ni3N/Ni异质结构核和超薄Ni3N表面壳实现自适应的表面重构和高效析氧- 大数跨境

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John Wang&寇宗魁Nano Energy：协同Ni3N/Ni异质结构核和超薄Ni3N表面壳实现自适应的表面重构和高效析氧

科学材料站

2020-09-18

导读：该工作通过逐步热氮化路线，设计了一种由一个内生长的Ni3N/Ni异质结构核和超薄的Ni3N壳(Ni3N/Ni@Ni3N)组成的强耦合核壳纳米结构预催化剂。

文章信息

Ni3N/Ni@Ni3N异质结构高效电催化产氧及机理研究

第一作者：高晓蕊、刘西蒙、臧文杰

通讯作者：寇宗魁*、John Wang*

单位：常熟理工学院、新加坡国立大学

研究背景

析氧反应(OER)是能量储存和转换的一个关键的电化学过程，如可充电金属-空气电池、水分解、二氧化碳还原和燃料电池。然而，由于四电子转移，它的动力学是缓慢的，需要高效的催化剂来克服大的过电位，来获得足够高的电流密度。因而，设计高活性，碱性稳定和低成本的析氧反应（OER）催化剂是解决这个问题的关键，具有巨大的价值，但仍面临巨大挑战。

文章简介

近日，新加坡国立大学John Wang课题组在国际顶级期刊Nano Energy（影响因子：16.602）上发表题为“Synergizing In-grown Ni3N/Ni Heterostructured Core and Ultrathin Ni3N Surface Shell Enables Self-adaptive Surface Reconfiguration and Efficient Oxygen Evolution Reaction”的研究工作

该工作通过逐步热氮化路线，设计了一种由一个内生长的Ni3N/Ni异质结构核和超薄的Ni3N壳(Ni3N/Ni@Ni3N)组成的强耦合核壳纳米结构预催化剂。Ni3N/Ni@Ni3N在电流密度10 mA cm-2时获得了229 mV的超低超电势（η），在η= 270 mV时，与单独的Ni3N和Ni以及商用RuO2相比，每单位有效表面积的催化电流密度分别提高了17、37和20倍，而且塔菲尔斜率大大降低，仅为55 mV dec-1。

该文章共同第一作者为常熟理工学院高晓蕊副教授（John Wang课题组访问学者）、新加坡国立大学John Wang课题组刘西蒙博士和臧文杰博士

共同通讯作者为新加坡国立大学John Wang课题组寇宗魁博士和John Wang教授

本文要点

要点一：通过逐步热氮化路线，合成具有核壳结构的Ni3N/Ni@Ni3N催化剂，如图1所示。在合成的Ni3N/Ni@Ni3N催化剂中，Ni3N/Ni的界面清晰可见，超薄的Ni3N层包裹了Ni3N/Ni的异质结构，形成核壳结构，如图2所示。

图1 Ni3N/Ni@Ni3N催化剂的合成路线图

图2 (a) Ni3N, (b) Ni和(c) Ni3N/Ni@Ni3N的SEM图；(d-h) Ni3N/Ni@Ni3N的STEM图和EELS mapping图。

要点二：相对于单个Ni、Ni3N和商业RuO2催化剂，Ni3N/Ni@Ni3N呈现了较低的过电位（229 mV，在电流密度位10 mA cm-2下），这个值要高于大部分基于过渡金属的合金和氮化物催化剂。且在过电位为 270 mV时，每单位有效表面积的催化电流密度是上述三个对比催化剂的17、37和20倍，而且塔菲尔斜率大大降低，仅为55 mV dec-1，显示了优越的OER活性和较高的反应动力学。同时，Ni3N/Ni@Ni3N也显示了较高的稳定性，如图3所示。

图3 RuO2、Ni3N、Ni和 Ni3N/Ni@Ni3N的OER性能表征（1 M KOH）。

要点三：通过原位拉曼光谱法和非原位电子显微镜考察Ni3N/Ni@Ni3N的OER过程。结果发现，若对Ni3N/Ni@Ni3N施加一个高电位，会发生NiOOH的表面重构，STEM图谱中，可以看出，表面NiOOH的厚度大约5nm。当电位再次降到低电位时，生成的NiOOH会被还原，从而实现催化剂表面NiOOH的可逆重构。Ni3N/Ni@Ni3N高的活性与表面NiOOH的生成有很大关系。

图4 Ni3N/Ni@Ni3N在OER性能测试之后的表征：(a-e)非原位SEM和STEM，(f)第20次不同电压范围的LSV曲线，(g)原位Raman，（h-j）XPS图谱。

要点四：为了进一步支持实验观察，密度泛函理论(DFT)计算表明，界面电子从NiOOH转移到Ni3N产生了带正电荷的Ni阳离子，作为高活性位点，大大降低了OER中间体的吸收的能垒。

图5 DFT计算：(a)界面处的电子转移，(b) 吉布斯自由能图谱。

文章链接

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105355

通讯作者介绍

寇宗魁，新加坡国立大学材料科学与工程系Prof. John Wang研究组博士后研究员。

2017年在武汉理工大学木士春教授课题组获得博士学位。先后在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy, ACS Catalysis等国际顶级期刊发表第一作者/通讯作者论文30余篇。目前主要研究方向为电催化剂和电极材料的亚纳米表面及界面调控及其在清洁能源相关设备中的应用，包括水分解、N2/CO2还原反应、金属-空气/金属-离子电池和超级电容器。John Wang，新加坡国立大学材料科学与工程系，教授，英国材料学会院士及亚太材料学会院士。在功能材料和材料化学从事研究和教育方面超过30年。担任新加坡国立大学材料科学与工程系主任7年(2012年7月至2019年6月)。目前的研究方向包括：能源材料与器件、二维材料化学、用于能源与水技术的纳米材料。在国际知名期刊发表论文400篇。

第一作者介绍

高晓蕊副教授

常数理工学院电子信息工程学院，副教授，博士毕业于东南大学化学化工学院材料物理与化学专业。2018年9月至2020年3月，新加坡国立大学John Wang课题组访问学者，已在Advanced Functional Materials, ACS catalysis, Nano Energy，Applied Catalysis B Environmental，Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials & Interfaces, ChemSusChem, Chemical Communications等国际期刊以第一作者/通讯作者发表论文近20篇。现主要研究方向：电极及电催化材料功能化及其在超级电容器及电催化水分解器件中的应用。