中科院化学所曹安民Small Structures: 无模板法构建Fe掺杂CoO纳米空心管用于高效电催化析氧
为应对日益严重的能源危机和环境污染挑战，迫切需要由传统化石燃料向可持续能源转型。电解水具有高效、零碳排放的优点，是极具前景的能源存储与转换技术。析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）是电解水中的关键环节。OER涉及复杂的四电子反应过程，化学动力学缓慢，通常需要催化剂的辅助以提高效率。贵金属催化剂如IrO2和RuO2具有优异的OER催化性能。但是贵金属资源稀缺、价格昂贵，导致此类催化剂的实际应用受限。钴基金属氧化物具有高催化活性、低成本的优势，作为OER电催化剂引起了研究者的广泛关注。通过对钴基金属氧化物进行合理的结构设计和组分调控，能有效提高催化剂的催化活性。但是，从合成方法的角度出发，如何基于简便、可控的合成路线，同时实现催化剂结构和组分的双重调节仍存在挑战。
中科院化学所曹安民与广西师范大学林茜颉、邱建华等开展了合作研究，相关工作聚焦于CoO 基材料的结构调控，通过无需模板的合成路线获得了Fe掺杂的CoO纳米空心管，对其OER催化优化提供了可靠策略。合成方法上，首先控制湿化学反应，基于沉淀反应设计，调控沉淀过程获得同时含有Fe、Co双金属的有机-无机复合物；以此作为前驱体，通过焙烧处理即可获得Fe掺杂CoO纳米空心管（Fe-CoO NT）。该合成方案无需使用模板剂即可实现空心结构的构建，并同时实现不同离子对CoO本体的均匀掺杂，获得结构可控、组分明确的催化剂模型体系；同时，Fe-CoO NT的空心结构赋予了材料较大的比表面积，为OER过程提供了更多的催化活性位点和较短的传输路径；此外， Fe的引入有效改善了CoO的电子结构，提高了材料的催化性能。该Fe-CoO NT对OER展现出较好的催化活性和循环稳定性，在1 M KOH中10 mA cm-2时的过电势为282 mV，Tafel斜率为78.26 mV dec-1。该工作对于OER高效催化剂的设计和制备具有良好的参考价值和借鉴意义。
图1：Fe-CoO NT的形貌和结构表征。(a) SEM图, (b) TEM图, (c) 元素分布图, (d) XRD图。从形貌、结构表征分析结果可知，所制备的Fe-CoO NT具有良好的空心管状结构和均匀的元素分布。
图2：Fe-CoO NT的XPS图。(a) XPS全谱, (b) Co 2p, (c) Fe 2p, (d) O 1s。
图3：不同催化剂在1 M KOH中的OER性能。(a) 线性扫描伏安曲线, (b) 过电势对比图, (c) Tafel斜率, (d) 阻抗图。CoO NT代表CoO纳米空心管，CoO NP代表CoO纳米颗粒。从性能结果可知，所制备Fe-CoO NT的OER性能要优于CoO NT和CoO NP，并接近RuO2，证明了合理的结构、组分设计对催化剂性能的有效提升。
作者简介
曹安民，中国科学院化学研究所研究员，国家杰出青年基金获得者，博士生导师。研究方向为纳米能源化学、电极材料表界面调控等。
邮箱：anmin_cao@iccas.ac.cn
林茜颉，广西师范大学化学与药学学院讲师，硕士生导师，博士毕业于中国科学院化学研究所。主要研究方向为新型二次电池电极材料的设计及应用、多功能纳米材料的设计及应用。
邮箱：linxijie@mailbox.gxnu.edu.cn
邱建华，广西师范大学化学与药学学院教授，硕士生导师。主要研究方向为高分子可控聚合过程及其对纳米材料的可控修饰、膜分离科学及其膜过程应用。
邮箱：qiujianhua@gxnu.edu.c
论文信息：
Facile Synthesis of Fe-Doped CoO Nanotubes as High-Efficient Electrocatalysts for Oxygen Evolution Reaction
Fan Tang, Sijie Guo, Yonggang Sun, Xijie Lin*, Jianhua Qiu*, Anmin Cao*
Small Structures
DOI: 10.1002/sstr.202100211
点击左下角「阅读原文」，查看该论文原文。
Small
Structures
期刊简介
Wiley旗下的Small Structures创立于2020年。作为Small的姊妹期刊，Small Structures旨在成为发表关于亚宏观尺度结构研究的多学科、跨领域、顶尖旗舰期刊。稿件领域包括但不限于化学、物理、材料、工程和生命科学，类型包括原创研究、综述、展望、评论等。
WILEY
相关阅读
Wiley China
Wiley China
Wiley China
MaterialsViews
Wiley旗下材料科学类期刊官方微信平台
推送材料科研资讯｜访谈材料大咖新秀
分享撰稿投稿经验｜关注最新招聘信息
点击“分享”，给我们一点鼓励吧~