光刻蚀法制备无定型Cu-Ni-Fe氧化氢氧化物纳米笼用于高效OER

【研究背景】
    OER 作为电解水的半反应,一直是备受科研人员关注和研究。NiFe基氧化及氢氧化物在陆续的研究中被证实对OER有着高效的催化活性。此外,针对NiFe基氧化及氢氧化物的结构修饰(如复合碳材料、掺入FeOOH 纳米颗粒等)被认为是提高其OER性能的可行方式。无定型结构的固有结构缺陷和金属离子间的协同作用使得非常有利于电解液的渗透。基于以上论述、观点,北京航空航天大学郭林教授团队在Angew. Chem. Int. Ed. 上发表了题为: “Amorphous Nanocages of Cu‐Ni‐Fe Hydr(oxy)oxide Prepared by Photoc Efficient Oxygen Evolution” 的文章。
【工作介绍】
    这篇文章采用快速光刻蚀法合成无定型纳米铜镍铁羟基氧化物AN-CuNiFe纳米笼作为高效的OER催化剂。在碱性介质中,该催化剂10mA/c-2(glassy carbon)电流密度下的过电位仅为224mV (泡沫镍做载体时过电位仅为181mV),Tafel斜率为44mV/dec。在过电位为300mV时,该催化剂的质量活性达到最大1464.5A/g,这是目前报道的关于OER的最高质量活性。
【亮点和新颖性】
    1.Cu2O为前驱体,通过光刻蚀法制备出了无定型的AN-CuNiFe催化剂并具有优异OER催化活性;
    2.研究表明改材料的催化活性来源有两点:i) 在光刻蚀反应中有利于高价态的Ni(III/IV)活性组分的生成(这是NiFe LDH的主要催化活性物质);ii)随着Cu元素引入无定型的NiFe中提高了催化剂的电子导电率。
【图文详情】
光刻蚀法制备无定型Cu-Ni-Fe氧化氢氧化物纳米笼用于高效OER 图1. AN-CuNiFe的合成步骤以及Cu2O@AN‐NiFe 前驱体的电镜表征。
光刻蚀法制备无定型Cu-Ni-Fe氧化氢氧化物纳米笼用于高效OER
图2. TEM清楚显示生成的AN-CuNiFe催化剂结构为无定型。
光刻蚀法制备无定型Cu-Ni-Fe氧化氢氧化物纳米笼用于高效OER
图3. 随着左边刻蚀的进行,高价态的Ni(III/IV)的含量逐渐增多,与之相对应的O2含量也逐渐增多,并生成了大量NiOOH活性物质。这被认为是该催化剂性能提升的重要原因。
光刻蚀法制备无定型Cu-Ni-Fe氧化氢氧化物纳米笼用于高效OER
图4. 光照刻蚀增强催化剂OER活性机理示意图。
        简单描述高价态Ni(III/IV)生成的机理:在碱性和光照条件下Cu2O会产生大量的OH自由基,会从Ni(OH)2中捕捉电子从而促进其生成。
光刻蚀法制备无定型Cu-Ni-Fe氧化氢氧化物纳米笼用于高效OER
图4和上述公式详尽的描述了AN-CuNiFe的合成过程与其在碱性介质中OER的反应机理。
光刻蚀法制备无定型Cu-Ni-Fe氧化氢氧化物纳米笼用于高效OER
图5. AN-CuNiFe的催化性能测试。
Zhi Cai,Lidong Li,Youwei Zhang,Zhao Yang,Jie Yang,Yingjie Guo,Lin Guo, Amorphous Nanocages of Cu‐Ni‐Fe Hydr(oxy)oxide Prepared by Photoc Efficient Oxygen Evolution,Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI:10.1002/ anie.201812601

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参考文献:Angew. Chem. Int. Ed.