日期：
来源：研之成理收集编辑：言之有理
电化学技术在解决能源危机和环境问题方面发挥着重要作用，绿色电解水产氢被认为是构建可持续能源发展体系最有前途的途径之一。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OER水分解反应中，过渡金属(M)合金、氧化物、氟化物等可作为预催化剂，在水氧化电位的驱动下发生表面氧化，形成真正的活性相（MOOH）来催化反应，因此被认为是贵金属催化剂的有效替代品。析氧反应(OER)涉及多电子转移过程，动力学反应较慢，是制约整个水电解装置效率的关键因素（如下图）。（10.1016/j.ijhydene.2022.06.049）成果1：铁掺杂氟化钴（Fe-CoF2）3-D纳米片用于高效析氧反应（OER）最近，来自扬州大学的冯立纲教授和田静琦教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Iron doped cobalt fluoride derived from CoFe layered double hydroxide for efficient oxygen evolution reaction”的研究论文。本文发现由钴铁层状双氢氧化物的简单结构转变得到的 Fe 掺杂的 CoF2 （Fe-CoF2）可作为一种新型有效的 OER 催化剂。晶体结构和表面化学状态分析证实了从钴铁层状双氢氧化物到 Fe 掺杂CoF2晶体结构的成功转变。获得的Fe-CoF2 3-D纳米片大大提高了活性位点的利用率，有效地促进了传质。当负载在惰性玻碳电极上时，Fe-CoF2-300驱动10 mA cm-2的电流密度仅需230 mV的低过电位，比原始CoFe LDH催化剂低约60 mV，它还显示出低至41.9 mV dec-1的塔菲尔斜率和较强的催化稳定性。本工作证实了铁钴体系的高效协同作用，并为OER提供了一种通过结构转变获得掺铁催化剂的有效途径（如图1所示）。▲图1 Fe-CoF2 3-D纳米片的SEM-TEM表征（A,B）、性能测试（C,D）和稳定性前后XPS（E,F）。成果2：FeNi基纳米粒子的表面结构调控用于优化高效析氧反应（OER）最近，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O2氧化和（或）H2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。本研究阐明了铁镍催化剂具有不同的催化性能或催化性能差异的表面因素（如图2所示）。 ▲图2 FeNi基纳米粒子的合成示意图（A）、XRD图谱（B）、性能测试（C-E）和稳定性前后XRD（F）。成果3：氮掺杂碳包覆FeNi/FeF2复合结构用于优化高效析氧反应（OER）最近，来自扬州大学化学化工学院的冯立纲教授，在Carbon Energy上发表题为“Hetero MOF-on-MOF-derived carbon nanotube interconnected nitrogen-doped carbon-encapsulated FeNi/FeF2 for efficient oxygen evolution reaction”的研究文章。该观点文章开发了一种由Fe2Ni MIL@ZIF-8双MOF衍生的碳纳米管连接氮掺杂碳包覆FeNi/FeF2电催化剂(FeNi@NC-F)，用于电解水阳极氧析出反应。光谱分析和电化学测试表明，该催化剂具有高效的多组分协同、高极性、更多的活性位点暴露、更高的内在活性、更高的电导率和稳定性。催化性能的提高与结构转变密切相关，通过碳化和氟化制备的异质Fe2Ni MIL@ZIF-8 MOF衍生的催化剂催化性能明显优于单一Fe2Ni MIL衍生的催化剂。由于Fe2Ni MIL金属中心衍生的FeNi合金和FeF2导致高价态的OER活性相，ZIF-8和Fe2Ni MIL配体生成的自催化氮掺杂碳纳米管和碳层提高了电导率和稳定性等优点，制备的Fe2Ni@NC-F催化剂对OER表现出良好的催化性能（如图3所示）。▲图3 氮掺杂碳包覆FeNi/FeF2电催化剂的结构表征（A-H）和性能测试（I）。（1）Li, M., Gu, Y., Chang, Y., Gu, X., Tian, J., Wu, X., & Feng, L. (2021). Iron doped cobalt fluoride derived from CoFe layered double hydroxide for efficient oxygen evolution reaction. Chemical Engineering Journal, 425, 130686.（2）Gu, X., Liu, Z., Li, M., Tian, J., & Feng, L. (2021). Surface structure regulation and evaluation of FeNi-based nanoparticles for oxygen evolution reaction. Applied Catalysis B: Environmental, 297, 120462.（3）Zhou, Y., Liu, H., Gu, X., Wu, X., & Feng, L. (2022). Hetero MOF‐on‐MOF‐derived carbon nanotube interconnected nitrogen‐doped carbon‐encapsulated FeNi/FeF2 for efficient oxygen evolution reaction. Carbon Energy, 4(5), 924-938.在《物理化学》中的电化学中，极化曲线和塔菲尔斜率是很重要的内容。析氧反应（oxygen evolution reaction）是电化学反应中一个重要的氧化反应，它是电解水的阳极反应和金属-空气电池阳极反应的充电过程，另外对于一些还原反应如二氧化碳还原CO2RR或者氮还原N2RR等也可以使用OER去耦合形成一个电解池。OER极化曲线是由线性扫描伏安法（LSV）测得，电势窗一般设置为0.2-0.9范围内，扫速为0.05 mV/s，旋转圆盘转速为1600 rpm，此时电极处于一个平衡状态，而电流随电压的变化则称为极化曲线。在用Origin作图时，需要进行IR补偿，测试时参比电极一般选用HgO电极，换算为RHE的公式为E(RHE)=E(Hg/HgO) + 0.9324 - 90%IR，I为瞬时电流，R为溶液阻抗，可以通过电化学工作站或者电化学阻抗计算得到。稳定性测试可以采用计时电流法或者计时电位法，来评估催化剂的稳定性。具体的，计时电流法的电压一般设定在电流密度为10 mA·cm-2时的电压值，循环一定时间之后，观察其电流的衰减；而计时电位法则是将电流密度设定在10 mA·cm-2，循环一定时间之后的电位增长情况。更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。