湖南大学王双印课题组：基于层间配体工程提升β-Ni(OH)2的电催化析氧活性

湖南大学王双印课题组提出层间配体工程的策略，通过一步溶剂热反应，实现β-Ni(OH)₂层间羟基配体的部分烷氧基取代，研究了不同链长和构型的烷氧基取代对催化剂层间距和电子结构的调变作用，发现乙氧基取代β-Ni(OH)₂（NiEt）具有最优本征和表观催化活性。进一步地，基于原位同步辐射光源测试的结果，提出了可能的反应路径及相应的催化活性位点。

氧析出反应是各类电化学能源转换装置（包括水电解和金属空气电池）中的关键一环，开发高效廉价的阳极析氧催化剂对实现能源转换技术的大规模应用具有重要意义。目前，大量的工作表明，后过渡金属化合物具有优异的电催化析氧活性，其中镍基催化剂极具前景。但是，镍基氧化物和氢氧化物的催化活性却往往不及预期。大量研究证明阴离子调控和阳离子掺杂对调控镍基催化剂活性中心的电子结构、改善导电性和催化活性具有显著的效果。然而，此类改性后，催化剂在阳极极化电位下其亚表层往往会转化为镍的氧化物和氢氧化物，这对于催化活性位点的识别和理解其催化反应机理都是巨大挑战。因此，寻找合适的改性方法，对提高催化剂活性和认识其活性起源具有重要意义。

β-Ni(OH)₂作为一种层状化合物，在阳极极化电位下易发生去质子化，从而转变得到被认为是活性物种的NiOOH, 因此被认为是极具竞争力的OER催化剂。同时，其简单的化学组分和清晰的晶体结构是研究OER反应机理和识别活性位点的一种理想模型催化剂。但在实际应用中，β-Ni(OH)₂由于宽带隙导致的低电导率、强疏水界面和结构不稳定性，其OER活性远远低于大多数镍基催化剂。

基于此，湖南大学王双印课题组提出层间配体工程的策略，通过一步溶剂热反应，制备得到一系列烷氧基取代的β-Ni(OH)₂。利用不同碳链长度和构型的烷氧基的拉电子和亲疏水性的差异，系统研究了不同烷氧基取代对β-Ni(OH)₂层间距和电子结构的调变作用。发现乙氧基取代的β-Ni(OH)₂（NiEt）不仅表观电催化活性远好于未改性的β-Ni(OH)₂，而且本征活性也显著改善。同时结合原位同步辐射的测试结果，进一步提出了NiEt的可能反应机理，并确定了相应催化活性位点为去质子化的高价镍。论文第一作者为博士研究生何俊颖，通讯作者为湖南大学邹雨芹副教授和中山大学卢侠教授。

该研究结果近期在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry。详见：He J-Y , Zou Y-Q, Huang Y-C, Li C-H, Liu Y-B, Zhou L, Dong C-L, Lu X, Wang S-Y. Interlayer Ligand Engineering of β-Ni(OH)₂ for Oxygen Evolution. Sci. China Chem.,2020, DOI:10.1007/s11426-020-9844-2. 点击左下角“阅读原文”可查阅全文。

扫描二维码免费阅读全文

【扩展阅读】

作者简介邹雨芹，湖南大学副教授。2017年在英国曼彻斯特大学获得化学博士学位，随后加入湖南大学开展研究工作。主要研究方向为电解水、生物质电催化转化，包括糠醛的电氧化、电还原，甘油的电催化转化等。至今，以通讯作者或第一作者发表SCI论文40余篇，其中11篇论文为ESI高被引论文。卢侠，中山大学材料学院教授，博士生导师，多年来一直致力于从事无机非金属材料、纳米科学和凝聚态物理的交叉领域的前沿研究，致力于锂离子电池材料构-效关系的理解与设计。至今发表SCI论文60余篇，目前H-index为27，被引用超过4100次。