近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所與南開大學(xué)、河南師范大學(xué)等單位合作，在離子摻雜水滑石電催化劑研究方面取得新進(jìn)展，構(gòu)筑了具有優(yōu)異氧析出性能的Cr摻雜的CoFe水滑石電催化劑，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際期刊Small上。
日益增長的環(huán)境污染和能源需求，迫使人們一直致力于尋找低成本、高效能源轉(zhuǎn)換和儲存技術(shù)，而利用高性能催化劑電解水制備氫氣和氧氣是一種可持續(xù)且高效的能源轉(zhuǎn)換方法。其中，催化劑電解水的一個關(guān)鍵技術(shù)難題是如何降低水分解反應(yīng)的過電勢從而節(jié)約電能，這直接關(guān)系到能量的轉(zhuǎn)換效率和氣體產(chǎn)率。而對于氧析出（OER）反應(yīng)，由于復(fù)雜的四電子轉(zhuǎn)移過程和氧分子形成的高能壘，是一個動力學(xué)緩慢過程，嚴(yán)重限制了水分解的效率。因此，發(fā)展高效穩(wěn)定的氧析出電催化劑具有非常重要的意義。
目前，貴金屬氧化物，如IrO2和RuO2具有較高的氧析出反應(yīng)活性，但是由于地球含量稀少、價格昂貴等問題限制了其大規(guī)模應(yīng)用。為此，亟需發(fā)展高活性、低成本的氧析出催化劑來替代貴金屬催化劑。近年來，科研工作者已發(fā)展了大量的過渡金屬基析氧電催化劑，其中，鈷基水滑石具有可調(diào)的層間陰離子種類和數(shù)量、開放的層狀組成結(jié)構(gòu)、氫氧根配體數(shù)量可調(diào)等特點(diǎn)，是一種非常有潛力的氧析出電催化劑。理論研究已經(jīng)證實(shí)，鈷基水滑石的四個氧中間體結(jié)合能遵循線性關(guān)系，產(chǎn)生過電勢約為350 mV，接近理論極限。然而，如何采用有效的策略來打破理論限制變得非常重要且具有挑戰(zhàn)性。
為此，固體所的研究人員采取低溫水熱合成法，成功在導(dǎo)電基底上制備得到了Cr摻雜的CoFe水滑石電催化劑。該催化劑在堿性環(huán)境中具有非常優(yōu)異的氧析出性能，當(dāng)電流密度為10mA/cm2時，其過電勢僅為238 mV。此外，該電催化劑經(jīng)3000次循環(huán)伏安和20小時計(jì)時電流法測試后，仍然保持良好的穩(wěn)定性。密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，由于Cr和Co的電負(fù)性差異，導(dǎo)致催化劑對OOH*的吸附強(qiáng)度顯著降低，打破了△GOOH（OOH中間體吉布斯自由能）和△GOH（OH中間體吉布斯自由能）之間的線性關(guān)系，從而提高了電催化析氧性能。
該方法還可實(shí)現(xiàn)在CoFe水滑石中摻雜Al和V，獲得的催化劑同樣展現(xiàn)了良好的電催化活性。該研究為設(shè)計(jì)和構(gòu)筑高效的氧析出電催化劑開拓了新思路，顯示了潛在的應(yīng)用價值。
圖1. (a) 催化劑制備過程示意圖，(b-g) 催化劑結(jié)構(gòu)表征
圖2. 催化劑理論模擬與活性機(jī)理解釋。
來源： 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（粉體技術(shù)網(wǎng)）
|
