中山大學Angew.Chem.Int.Ed.：通過部分Fe離子置換活化CoOOH多孔納米片陣列用於有效催化OER

【引言】

總所周知，氫氣是一種高效清潔的能源，電解水制氫作為一種有效制氫手段備受關注。該反應包含兩個半反應，其中陽極析氧反應（OER）是目前限制其發展的重要障礙之一，OER是個四電子反應，反應過程複雜，所以尋求高效催化劑，實現低過電勢下析氧，一直以來均是科研工作者的目標。

【成果簡介】

近日，中山大學李高仁教授等人通過在0.01 mol/L的(NH4)2Fe2(SO4)2溶液中對碳纖維紙上沉積的α-CoOOH納米片陣列（α-CoOOH NSAs/CFC）進行陽極氧化的方法，將部分Co離子替換為Fe離子得到最終負載在碳纖維紙上的FexCo1-xOOH多孔納米片陣列催化劑（命名為FexCo1-xOOH PNSAs/CFC，0≤x≤0.33）。該催化劑表現出很好的析氧催化性能，在電流密度為10 mA/cm2下，過電勢為266 mV，塔菲爾斜率為30 mV/decade，穩定性也非常不錯。該成果發表在Angew. Chem. Int. Ed.上，題為「Activating CoOOH Porous Nanosheet Arrays by Partial Iron Substitution for Efficient Oxygen Evolution Reaction」。

【圖文導讀】

圖1. FexCo1-xOOH PNSAs/CFC的合成示意圖、形貌以及結構表徵圖

(a). FexCo1-xOOH PNSAs/CFC的合成示意圖；

(b, c). α-CoOOH NSAs/CFC的SEM圖；

(d). α-CoOOH NSAs/CFC的TEM圖；

(e). α-CoOOH NSAs/CFC的HRTEM圖；

(f). α-CoOOH NSAs/CFC的SAED圖；

(g, h). Fe0.33Co0.67OOH PNSAs/CFC的SEM圖；

(i). Fe0.33Co0.67OOH PNSAs/CFC的TEM圖；

(j). Fe0.33Co0.67OOH PNSAs/CFC的HRTEM圖；

(k). Fe0.33Co0.67OOH PNSAs/CFC的SAED圖；

(l, m, n, o, p). Fe0.33Co0.67OOH PNSAs/CFC的元素分布圖；

(q). FexCo0.67OOH PNSAs/CFC和CFC的XRD圖。

圖2. 催化劑表面元素價態分析

(a). Fe0.33Co0.67OOH PNSAs/CFC和CoOOH PNSs/CFC表面Co元素的XPS圖；

(b). Fe0.33Co0.67OOH PNSAs/CFC表面Fe元素的XPS圖。

圖3. 催化劑結構轉換示意圖

(a, b). 從α-Co(OH)2轉換為FexCo1-xOOH的結構變化示意圖。

圖4. 催化劑結構的同步輻射數據

(a). Fe0.33Co0.67OOH PNSAs/CFC和標準的β-CoOOH的Co的K邊的FE-EXAFS圖；

(b). Fe0.33Co0.67OOH PNSAs/CFC和標準的β-CoOOH的Co的K邊的XANES圖；

(c). Fe0.33Co0.67OOH PNSAs/CFC的Fe的K邊的FE-EXAFS圖；

(d). Fe0.33Co0.67OOH PNSAs/CFC的Fe的K邊的XANES圖。

圖5. 催化劑的電催化OER性能

(a). 在1.0 mol/L的KOH溶液中，掃速為5 mV/s，Fe0.33Co0.67OOH PNSAs/CFC、CoOOH PNSAs/CFC和IrO2/NF的LSV曲線；

(b). Fe0.33Co0.67OOH PNSAs/CFC、CoOOH PNSAs/CFC和IrO2/NF的Tafel曲線；

(c). 在電勢為1.618 V下，Fe0.33Co0.67OOH PNSAs/CFC、CoOOH PNSAs/CFC的交流阻抗曲線圖；

(d). 在β-CoOOH和FexCoyOOH中的CoO6 (Oh)、CoO4 (Td)、FeO6 (Oh)上的反應中間產物和最終產物的ΔG；

(e). 電化學循環測試2000次前後的LSV曲線對比圖；

(f). 電流密度為10 mA/cm2對應的電勢隨時間變化的曲線圖。

【小結】

研究人員通過離子交換的方法成功製備出部分被Fe離子替換的負載在碳纖維紙上的FexCo1-xOOH多孔納米片陣列催化劑。通過同步輻射數據首次證明CoO6八面體結構被FeO6八面體結構替換，同時通過理論計算明確該催化劑中的活性位點來源於FeO6，並且表現出很好的催化性能，為後來者設計高效電催化OER催化劑指明方向。

文獻鏈接：Activating CoOOH Porous Nanosheet Arrays by Partial Iron Substitution for Efficient Oxygen Evolution Reaction(Angew. Chem. Int. Ed.，2018，DOI: 10.1002/anie.201712549)

本文由材料人編輯部新人組Wenli Lu編輯，黃超審核。

技術服務

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！