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以棉花爲原料制備出優異的電催化析氧催化劑
文章来源: 王豪杰 发布时间: 2021-04-07

  近期,中科院合肥研究院固體所環境與能源納米材料中心研究團隊在電催化析氧(OER)研究方面取得重要進展。團隊以棉花爲原材料,通過簡單的碳化、磷化處理制備多孔生物碳負載的Fe摻雜Ni12P5納米結構((Fe0.25Ni0.75)12P5@PPC)催化劑。該催化劑具有優異的電催化OER性能,在10 mAcm-2下的過電勢僅爲131 mV,塔菲爾斜率爲 37 mV dec-1,明顯優于商業的RuO2,研究表明其優異的OER性能來源于反應過程中的表面重構和高自旋Fe4+的産生。相關研究成果以“In-situ transformation of Fe-doped Ni12P5 into low-crystallized NiFe2O4 with high-spin Fe4+ for efficiently electrocatalytic water oxidation爲題發表在Journal of Materials Chemistry A 上。 

  尋找高活性的催化劑加速電催化過程,是能源轉化的關鍵。目前,廉價的3d過渡金屬化合物被廣泛應用在OER反應中。過渡金屬氧化物在 OER 反應過程中會在其表面進行自發重構並形成無定形的活性層結構。但是,其中結構轉化的具體形式仍不明確,影響這種轉化的關鍵因素包含過渡金屬元素價態、配位結構和電子結構等信息。  

  研究團隊以棉花爲原材料,通過磷酸前期處理制備含磷的生物質多孔碳,隨後進行浸漬還原,即得到生物質衍射多孔碳負載的Fe摻雜的Ni12P5納米結構((Fe0.25Ni0.75)12P5@PPC)。該制備方法具有簡單結構易調節的優勢,可以實現電催化劑宏量制備。 

  在同等條件下,對制備的系列(FexNiy)12P5@PPC催化劑進行OER性能測試發現(Fe0.25Ni0.75)12P5@PPC具有最優異的OER性能LSV極化曲線顯示(Fe0.25Ni0.75)12P5@PPC10100 mA cm-2的過電勢分別爲 131 mV198 mV遠低于其(FexNiy)12P5@PPC催化劑以及商業RuO2(227 mV322 mV)。此外, (Fe0.25Ni0.75)12P5@PPCTafel斜率37 mV dec-1)較小,表明其具有極好的催化動力學性能該性能明顯優于目前已報道的高效的OER電催化劑(Fe0.25Ni0.75)12P5@PPC具有更小的電子轉移電阻說明其電子轉移速率較快。因此,通過Fe摻雜的协同作用机制,能够有效改善(FexNiy)12P5@PPC電極材料的電子傳輸特性和電化學活性。 

  通過TEMXRDRamanXPS、穆斯堡爾譜和同步輻射等表征手段對OER反应前后催化剂的形貌和結構进行深入的研究,發現反應後纳米颗粒逐渐消失,出现大量的微晶結構,晶格條紋和FFT衍射圖樣與NiFe2O4高度一致催化劑結構從反應前的Ni12P5晶型逐步轉化成低結晶度的NiFe2O4結構,且在反應後的樣品中,可明顯觀察到NiFe2O4的拉曼衍射峰反應後Ni0P-M鍵消失,Fe的價態也發生明顯變化,部分 Fe2+轉化爲高價態的 Fe4+上述結果表明,(Fe0.25Ni0.75)12P5@PPC優異的OER性能來源于反應過程中原位重構生成的低結晶度的NiFe2O4結構,且与重构过程中生成的高自旋的Fe4+密切相關。

       该研究不仅解释了(Fe0.25Ni0.75)12P5@PPC優異OER性能的來源,也爲今後設計高催化活性OER電催化劑提供了新思路 

  該工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金和合肥科學中心協同創新項目的支持。 

  全文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta01310f#!divAbstract 

   

         圖1.生物質多孔碳負載的Fe摻雜的Ni12P5納米結構((FexNiy)12P5@PPC)的制備流程圖。 

   

  2.(a)(FexNiy)12P5@PPC(x=00.150.200.25y=10.850.800.75)、純PPC載體及商業RuO2(a)LSV極化曲線,(b)塔菲爾斜率,(c)本催化剂与其他报道的優異OER催化劑的性能比較,(d)電化學阻抗譜 

   

   圖3.(Fe0.25Ni0.75)12P5@PPC催化劑在OER反應前和經曆0.5小時、2小時、4小時及10小時OER反應後(恒流測試)(a)XRD圖谱(b)Raman光譜(c)Ni 2p(d)P 2p XPS光譜以及(e)穆斯堡爾譜 

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