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上海硅酸盐所Angew制备出微晶玻璃析氧电催化剂

发布时间:2021年08月19日    点击:[1]人次

上海硅酸盐所Angew:制备出微晶玻璃析氧电催化剂

最近,中国科学院上海硅酸盐研究所王家成研究员课题组制备出一种具有结晶-非晶双相结构的微晶玻璃(Ni1.5Sn@triMPO4)并用于电催化OER。

相关研究背景

析氧反应(OER)是电解水和二次金属-空气电池等能源转换和存储器件中重要的半反应。但是,OER的反应能垒过高、动力学迟缓,而且,基于贵金属的传统电催化剂价格昂贵中国机械网okmao.com。因此,开发新型非贵金属电催化剂的需求十分迫切。非晶态电催化剂拥有丰富的活性中心,而晶态催化剂则表现出良好的电子转移特性。合理设计和优化电催化剂的微观结构和组成,构建双相纳米复合材料,为提高OER性能提供了更多的可能性。同时,原位表征技术和理论计算相结合,有望进一步揭示OER的催化机制。

相关研究进展

该研究从SnFeNi钙钛矿氢氧化物(前期工作发表于J. Mater. Chem. A. 2020, 8, 5919-5926)出发,通过低温磷化得到Ni1.5Sn@triMPO4微晶玻璃。进一步利用电化学活化,使得部分阳离子Sn4+和阴离子PO43-析出,加速微晶玻璃的表面重构,在催化剂表面生成了具有本征氧空位VO和残留PO43-的活性层(Ni(Fe)OOH-VO-PO4)。与对照样品相比,这种表面重构后的微晶玻璃的过电位显著降低,OER动力学得到增强,可与大多数非贵金属电催化剂相媲美。理论计算表明:Sn的低空位形成能和VO位点上PO43-的高吸附能,加速了微晶玻璃的表面重构;残留的PO43-和VO位点导致邻近Ni原子的电荷转移,使d带中心更接近费米能级。这种电荷分布优化了金属羟基氧化物上OH*和OOH*中间体的吸附,提升了OER活性。该研究证明了微晶玻璃在促进表面重构过程中的结构优势,为先进电催化剂的设计提供了新的思路。

该研究成果以“A glass-ceramic with accelerated surface reconstruction toward the efficient oxygen evolution reaction”为题发表在学术期刊Angewandte Chemie International Edition上,并且被选为Very Important Paper (VIP)。文章共同通讯作者为王家成研究员,马汝广副研究员和北京工业大学刘丹敏研究员。

王家成研究员团队长期致力于新型电催化材料与能源器件方面的应用基础研究。2020年,课题组在实验与计算相结合的材料微结构设计与催化机理研究中取得多项新进展:利用电子局域化增强氧还原动力学(Nature Mater., 2020, 19, 282; ACS Catal., 2020, 10, 9366; Appl. Catal. B: Environ., 2020, 265, 118593);通过位点设计和电子结构调控提升析氢活性(Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003484; Energy Environ. Sci., 2020, 13, 4249; Adv. Energy Mater., 2020, 10, 2000067; J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 3436; ChemSusChem, 2020, 13, 2739)。

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微晶玻璃加速表面重构促进OER反应

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通过低温磷化方法合成了具有双相结构的微晶玻璃,结合XRD、XPS、HRTEM、EDS-Mapping等技术证明其中结晶相是Ni1.5Sn纳米颗粒,非晶相是triMPO4三金属磷酸盐。