论文DOI：10.1002/aenm.202202522
全文速览
在析氧反应（OER）中，电催化剂的表面重构现象被广泛地观察到，特别是层状双氢氧化物（LDH）。但由于动态表面重构的复杂性和表征手段的限制，对于如何提升表面重构的程度和优化重构后的活性物质以增强OER活性却鲜有报道。近日，暨南大学麦文杰教授和南洋理工大学范红金教授等利用原位硫掺杂的方式有效地调控了NiFe LDH的内部电子结构，实现了NiFe LDH表面重构程度的加强和重构活性物质的性能提升。理论计算，Operando拉曼和多种非原位的表征结合揭示了S阴离子引入策略能有效地降低了表面重构的能垒，促进相转变为高活性的S掺杂羟基氧化物。这项工作对于催化剂表面重构中结构-组分-活性的关联性提供了一定的见解。
背景介绍
析氧反应（OER）涉及到电解水，可充电金属空气电池和二氧化碳减排等多种能源转换过程，并扮演着重要的角色。研究发现，许多过渡金属基催化剂被归类为“预催化剂”。电化学诱导的表面重构现象在OER过程中极易发生，并且重构后的物相被广泛地认为是真实的活性物质。但由于表面重构过程的复杂性和高分辨表征的限制，动态的表面重构过程中的关键问题到目前为止还没有被完全解决。例如，如何有效地促进表面重构？如何提升表面重构后活性物质的本征活性？解决这些棘手的问题对于了解表面重构的机制和设计高效OER催化剂至关重要。
本文亮点
1. S掺杂策略有效地降低了表面重构能垒，促进表面重构的程度，生成的硫掺杂羟基氧化物可以优化中间体的吸附，并表现出优异的OER活性和稳定性。
2. 理论计算，拉曼光谱和多种表征手段揭示了预催化剂表面重构过程中的结构－组分－活性关系。
图文解析
图1. 通过 DFT 计算预测S掺杂对NiFe LDH的电子结构和重构能垒的影响。S阴离子掺杂能有效地调控NiFe LDH的电子结构和降低表面重构能垒。
图2. 纳米结构/组分和电化学激活过程。在催化剂的CV激活过程，S掺杂的NiFe LDH展示出更快的自优化过程，且在40个CV后表现出更好的催化活性。同步辐射表征揭示了S掺杂对内部电子结构的改变，ex-situ XPS分析了在激活过程中Ni价态的变化趋势。
图3. 结构-组成-活性关系。Operando拉曼揭示了表面重构的这一动态过程中物相转化速率和程度的机制，证实了S掺杂可以诱导更深的表面重构并增加NixFeyOOH的含量，从而为OER提供更加丰富的活性位点。
图4. OER性能和反应机制。S离子引入后能有效地增强OER活性，重构后的S-NixFeyOOH有利于优化中间体吸附，从而提高OER催化活性。
总结与展望
这项工作系统地研究了S掺杂对NiFe LDH催化剂表面重构和提高催化活性的影响。理论计算表明S掺杂在调控NiFe LDH电子结构和降低的重构能垒方面起到了积极的作用。同步辐射和Operando拉曼结果表明，将S引入NiFe LDH可以有效地促进表面重构，生成的NixFeyOOH优化了中间物的吸附和增强了OER 动力学。因此，激活后的S-NiFe LDH催化剂表现出优异的催化活性和稳定性。这项工作对OER催化剂表面重构现象进行了深刻解读，并为合理地设计高效的OER电催化剂提供了指导。预计其它元素掺杂（例如P、Ｓｅ）也可能引起类似的效应。
作者介绍
雷航，暨南大学在读博士研究生（导师：麦文杰教授和谭绍早教授），目前在南洋理工大学进行联合培养。研究方向为纳米材料的合理设计及其在电催化分解水和锌空气电池等方面的应用研究，以第一作者在Advanced Energy Materials、Nano Energy, Infomat等期刊发表论文10余篇。
马良，博士，助理研究员。2009年、2019年分别获得华中科技大学热力与动力工程专业学士学位和中山大学材料物理与化学专业博士学位。2020年至今在暨南大学理工学院广东省真空薄膜技术与新能源材料工程技术研究中心麦文杰教授团队从事博士后研究工作，主要研究方向为能源转换材料和可充电电池。
麦文杰，暨南大学理工学院教授，物理学系系主任，广东省真空薄膜技术与新能源材料工程技术研究中心主任。2002年本科毕业于北京大学物理系，获理学学士学位；2009年博士毕业于美国佐治亚理工学院材料科学与工程系，获哲学博士学位，导师为王中林（Zhong Lin Wang）院士。荣获广东省自然科学杰出青年基金（省杰青）经费资助，入选广东特支计划百千万人才工程青年拔尖人才，入选广东高等学校优秀青年教师培养计划。已发表SCI论文100多篇，谷歌引用17000次，H因子63。
范红金，南洋理工大学教授。1999年本科毕业于吉林大学物理系，2003年获新加坡国立大学博士学位，其后分别在德国马普研究所和英国剑桥大学从事博士后工作。2008年加入南洋理工大学。范老师目前主要研究领域为纳米能源材料和器件，包括电化学储能和催化，同时也对低维半导体材料的发光感兴趣。合作发表论文200+，H因子100。从2016年起连续为高被引学者，目前担任Materials Today Energy主编。
文献来源
Hang Lei, Liang Ma, Qixiang Wan, Shaozao Tan, Bo Yang, Zilong Wang, Wenjie Mai,* and Hong Jin Fan*，Promoting Surface Reconstruction of NiFe Layered Double Hydroxide for Enhanced Oxygen Evolution.
论文DOI：10.1002/aenm.202202522
论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202202522
本文仅供科研分享，不做盈利使用，如有侵权，请联系后台小编删除
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
“邃瞳科学云”推出专业的自然科学直播服务啦！不仅直播团队专业，直播画面出色，而且传播渠道多，宣传效果佳。
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系翟女士：18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
