北京化工大学王峰教授/张正平副教授课题组Nano Energy：一步电沉积法构建高效炭载纳米团簇氧析出催化剂
The following article is from 科学材料站 Author 王峰/张正平教授
点击蓝字关注我们
氧析出反应（OER）受限于自身的四电子转移过程和高阳极反应电位，制约着包括碱性电解水和可逆锌空电池等技术的发展。镍基化合物被认为是阳极材料最具成本效益的电催化材料，因为它们能够提供接近贵金属（RuO2和IrO2）商业催化电极的OER活性。
为进一步增强其OER活性，采用氮掺杂炭等载体材料可以调控镍基化合物界面的电子结构，从而增强其催化性能。因此，为提升活性粒子与载体间的耦合作用，加快电子转移，改善催化界面反应活性，如何增大两者界面的接触面积并提高界面间相互作用是一个重要且富有意义的研究方向。
该文章共同第一作者为北京化工大学博士研究生杨少轩和硕士研究生杜若秋，王峰教授和张正平副教授为本文共同通讯作者。
要点解析
要点一：一步阴极电沉积法构建高效炭载NiFe纳米团簇氧析出材料（NiFeOx©NC）图1.炭载NiFe纳米团簇氧析出材料（NiFeOx©NC）的合成过程以及形貌特征
（a）一步阴极电沉积法制备NiFeOx©NC杂化物用于氧析出反应的示意图.（b）NiFeOx©NC的扫描电镜照片. （c, d, e）NiFeOx©NC的球差校正电镜以及mapping照片.图1示例了一步阴极电沉积法构建炭载NiFe纳米团簇的过程及其形貌特征。金属离子（Ni2+，Fe3+）和氮掺杂碳量子点在水溶液中通过静电作用相互结合，在阴极发生电沉积并形成炭载NiFe纳米团簇。
由于氮掺杂碳量子点和金属离子之间的静电相互作用，氮掺杂碳量子点在形成炭材料基底的过程中，有效降低了金属离子的聚集，提高了NiFe团簇与碳基底的界面相互作用。
图1b表明，经过电沉积过程后，NiFeOx©NC显示出连续、致密的形貌，与常见电沉积制备层状双金属氢氧化物的形貌明显不同。
图1c-e表明，金属Ni和Fe主要以镍铁氧化物纳米团簇的形式均匀负载于炭材料基底上，团簇平均直径为1.9 nm。
要点二：NiFeOx©NC中金属团簇和炭材料基底间存在强烈界面相互作用
图2.NiFeOx©NC和NiFeOx材料的组分和电子结构变化
（a-c）NiFeOx©NC的高分辨X射线光电子能谱图。（d-e）NiFeOx©NC的X射线吸收近边结构。图2对比了NiFeOx©NC和NiFeOx材料的组分和电子结构变化。碳元素的XPS和XANES测试结果表明NiFeOx©NC中形成了大量金属-氮-碳和金属-氧-碳键，提升了NiFeOx纳米团簇和炭材料基底的界面相互作用。
Ni和Fe的电子结构分析表明，NiFeOx©NC中金属团簇和炭材料基底之间由于界面相互作用存在强烈电子转移，导致Ni和Fe具有更高的电子态。
要点三：NiFeOx©NC电极在复杂操作环境下的适用性及稳定性
图3. NiFeOx©NC在复杂环境下的催化性能及稳定性
（a）NiFeOx©NC与RuO2和商业行稳阳极的活性对比。（b）NiFeOx©NC与商业行稳阳极在不同电流密度下的性能对比。（c）NiFeOx©NC的长时间稳定性及抗逆反电流测试。（d）NiFeOx©NC在实际复杂环境下的电解水性能表现。（e）与活性阴极组成的二电极体系在1.5 V干电池驱动下的电解水照片。图3（a，b）显示出NiFeOx©NC相较于RuO2和商业行稳阳极具有更优异的氧析出催化活性，在不同的电流密度下，包括从高电流密度突降至低电流密度时，NiFeOx©NC均具有更低以及更稳定的过电位。
图3（c）在进行了长达15小时以上的电解过程后，NiFeOx©NC电极仍能保持较低的过电位，表明其具有优异的电化学稳定性；同时在正向电流和反向电流切换时，模拟了实际电解过程中的启动和停车过程，NiFeOx©NC仍能维持其超高催化活性，证明其在复杂操作条件下的适用性。
除此之外，在不同浓度的电解液中，图3（d）以NiFeOx©NC作为阴极构建的二电极电解体系均表现出较低的过电位，说明NiFeOx©NC电极能够适用于多种环境下的电解水过程。在本工作中，我们通过对金属盐和氮掺杂碳量子点组成的电解液的一步电沉积，制备出了高度耦合的复合催化电极。其中氮掺杂碳量子点作为“碳砖”用来构建与NiFeOx团簇耦合的连续炭层。
由于NiFeOx团簇与N掺杂炭之间存在高度耦合的界面，调控了金属团簇的电子结构，加快了氧析出反应过程中电子的转移，使NiFeOx©NC复合催化材料具有较低的过电势和较快的动力学过程，显示出比商业RuO2催化剂和行稳阳极更加优异的OER性能和出色的长期稳定性，以及 在实际操作条件下的耐久性，倍率性能和环境适应性。
这项工作不仅为制备用于水分解装置的高效阳极提供了一种简便的方法，而且为开发用于其他清洁电化学技术的新材料提供了指导。
文章链接:One-step electrodeposition of carbon quantum dots and transition metal ions for N-doped carbon coupled with NiFe oxide clusters: A high-performance electrocatalyst for oxygen evolution
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520306340
免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：chen@chemshow.cn
扫描二维码
关注我们
微信号 : Chem-TTC
诚邀投稿
欢迎专家学者提供化学化工产学研方面的稿件至chen@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学技术转移中心®会及时推送。