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在过去的研究中，过渡金属基催化剂，特别是镍基材料，包括氧化镍，氢氧化镍，羟基氧化镍，硫化镍和镍基双氢氧化物（LDH），由于其低成本，容易获得和高催化活性而被广泛研究。然而，镍基材料在水分解中的实际应用仍然存在两个主要挑战：在高电流密度下，催化活性和耐久性仍不能令人满意。开发用于析氧反应（OER）的低成本、高效且耐用的镍基电催化剂对于电化学水分解的实际应用至关重要。

成果简介

近日，中国科学院化学研究所的胡劲松、江浪和湖南大学的黄维清报道了一种“自上而下”将块体材料转变为纳米结构的方法以制备高效、稳定的OER电催化剂。该方法采用有机小分子（如六溴苯，HBB）通过Br诱导的固相迁移过程，直接在泡沫结构基材中原位形成金属纳米网并嵌入类石墨烯薄膜中（M-NM@G），从而活化过渡金属（Ni，Fe和NiFe等）泡沫，制得高效稳定的电催化剂。

在该过程中，HBB通过裂解C-Br键和形成C=C双键，在块状金属泡沫基材上共生形成类石墨烯网格。同时，裂解的C-Br片段可有效地从块体材料中提取金属原子，从而原位产生嵌入在类石墨烯状薄膜中的过渡金属纳米网。

该策略具有以下优点：(1) 过渡金属原子直接从基材固相迁移形成纳米网，确保它们之间的紧密连接，从而可保证在高电流密度下稳定运行；(2) 纳米网状结构具有多孔结构和相对较大的表面积，可充分暴露催化剂活性位；(3) 与其他碳基材相比，直接在基材上生长的类似石墨烯薄膜可保护过渡金属泡沫免受侵蚀，并在OER过程中具有更好的抗氧化性；(4) 过渡金属纳米网在石墨烯状薄膜中的嵌入确保了在反应过程中OER活性位点具有强的导电性和机械稳定性。

以该方法制得的催化剂表现出优异的电催化活性，NiFe-NM@G在208 mV 过电位下获得100 mA cm-2处的电流密度。这项工作采用简单通用的策略，通过与有机小分子的相互作用将本体过渡金属直接转变为纳米结构的功能性电催化剂，从而为有机小分子在能源技术中的应用找到了新的机遇。

该研究成果以“Organic Small Molecule Activates Transition Metal Foam for Effcient Oxygen Evolution Reaction”为题与2020年2月6日发表在国际期刊Advanced Materials。

文章解读

图1 M-NM@G催化剂固相转移法制备示意图

图2 Ni-NM@G-10催化剂形貌结构表征

图3 Ni-NM@G-10催化剂中纳米网的形貌结构表征及元素分布

图4  Ni-NM@G催化剂不同生长阶段的精细结构表征

图5  NiFe-NM@G催化剂OER性能

图6  NiFe-NM@G催化剂形貌结构表征及不同催化剂OER性能表征

文献信息

Organic Small Molecule Activates Transition Metal Foam for Effcient Oxygen Evolution Reaction

(Advanced Materials，2020，DOI: 10.1002/adma.201906015)

原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.201906015

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最后编辑时间为: 2020-07-14 23:05 Tuesday