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原位拉曼电化学池助力中国地质大学(武汉)蔡钊教授Small:玻璃态氢氧化物电极材料最新研究成果!

发布日期:2024-03-04 阅读量:301

中国地质大学(武汉)蔡钊教授玻璃态氢氧化物电极材料最新研究成果

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氢能是一种典型的未来能源,电解水技术是规模化制氢的潜在解决方案。然而阳极析氧半反应(OER)过电势较高,限制着电解水反应的能量效率。现有的Ir/RuO2贵金属催化剂价格昂贵,不利于大规模应用。开发廉价高效的析氧电催化剂材料是电解水制氢研究的关键之一。氢氧化物材料,特别是镍铁基层状双金属氢氧化物(NiFe LDH),具有高比表面积和金属比例可调等独特性质,是电解水贵金属催化剂理想替代材料之一,被广泛用于纳米催化领域。然而,NiFe LDH材料电催化活性仍有待提高。现有NiFe LDH材料的改性策略多基于其晶体结构的调控,基于非晶态、特别是玻璃态的结构的氢氧化物材料调控还鲜有涉及。更重要的是,玻璃态材料的无序结构有利于金属活性位点的充分暴露,从而提升电极材料的电解水性能。

针对上述问题,中国地质大学(武汉)储能与环境催化团队(PI: 周成冈 教授/副院长)的蔡钊教授通过低温共沉淀和异价元素掺杂手段制备出一种全新的镍铁基玻璃态电催化材料(G-LDH)。通过HRTEM/XRD/PDF表征证明其短程有序、长程无序的无定形结构。相应G-LDH电催化材料展现了较低的OER催化活性,在20 mA cm-2的电流密度下反应的过电势为269 mV,低于晶态NiFe LDH和RuO2催化剂材料。原位拉曼和DFT理论计算进一步发现G-LDH能在低过电位下促进反应关键中间体(O*)的吸附,并转化形成金属过氧化物(M-OOH),从而有效降低反应过电势。

研究者相信,该工作通过构建短程有序、长程无序的玻璃态氢氧化物材料,有效调整了材料活性位点的电子结构和数量,提升了电解水性能。这为下一代高活性玻璃态电极材料的设计提供了新的思路。2024年2月20日,相关工作以《Glassy State Hydroxide Materials for Oxygen Evolution Electrocatalysis》为题发表在期刊Small上(DOI: 10.1002/smll.202312168)。论文第一作者为博士研究生王静。研究使用的原位电化学池及原位拉曼的测试表征技术得到合肥原位科技有限公司的支持与帮助。

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图1短程有序、长程无序的氢氧化物材料及其析氧电催化性能研究

 

 


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