基于储量丰富的铁、钴、镍基催化剂嵌入到TiO2纳米线

基于储量丰富的铁、钴、镍基催化剂嵌入到TiO2纳米线

【介绍】

在碱性条件下，丰富的铁、钴、镍基催化剂可以有效稳定地催化OER。但上述催化剂在酸性条件下稳定性差，且腐蚀很快。贵金属氧化物催化剂（如RuO2、IrO2）兼具活性和良好的稳定性，可在酸性条件下催化，但其成本高昂、储量短缺阻碍了其大规模应用。因此，迫切需要寻找在酸性电解质中能稳定地作为全水分解OER电催化剂的金属基材料。具有层状结构的钛酸盐（如）已广泛应用于离子插层和电池中，易与过渡金属离子（如Co2+、Ni2+、Fe3+）发生离子交换反应，将铁、钴、镍基催化剂与钛酸盐整合在一起，可能会有意想不到的效果。

近日，山东大学和华南理工大学的刘宏教授、桑元华副教授和周维嘉副教授（共同通讯作者）通过离子交换和煅烧工艺将少量的氧化铁嵌入TiO2纳米线（Fe-TiOx LNWs/Ti）中，在Nano杂志上发表了题为“Iron Oxide - an and for in Media”的研究论文。所得Fe-TiOx LNWs/Ti的稳定性大大提高，在酸性电解液中仍能保持较高的活性（起始电位为1.49 V at 1 mA·cm-2）。该研究为在酸性电解液中制备稳定高效的非贵金属OER电催化剂提供了一种简单可行的路线。

【图文介绍】

图1 Fe-TiOx LNWs/Ti制备过程示意图

Fe-TiOx LNWs/Ti制备过程示意图。

图2 催化剂的形貌和晶体结构

a) /Ti 的 SEM 图像；

b) /Ti 的 SEM 图像；

c、d）Fe-TiOx LNWs/Ti 的 SEM 图像；

e,f) Fe-TiOx LNWs/Ti (I)、Fe-TiOx LNWs/Ti (III) 的广角/小角度 XRD 图案。

图3 催化剂元素价态分析

a) /Ti (I)、/Ti (II) 和 Fe-TiOx LNWs/Ti (III) 的 XPS 光谱；

b) /Ti (I)、/Ti (II) 和 Fe-TiOx LNWs/Ti (III) 的 Ti 2p XPS 光谱；

c) Fe-TiOx LNWs/Ti (I)、Fe-TiOx LNWs/Ti (III) 的 Fe 2p XPS 光谱。

d）Fe-TiOx LNWs/Ti（I）、Fe-TiOx LNWs/Ti（III）的 K 2p XPS 光谱。

图4 催化剂的晶格条纹和元素分析

a、b) 高分辨率 TEM 图像；

c, d) (HR)TEM 图像；

e, f) Fe-TiOx LNW 的 (HR)TEM 图像。

g）Fe-TiOx LNW 的 EDS 元素分布。

图5 催化剂的电催化性能

a) Fe/Ti、Fe2O3/Ti、Fe2O3/TiO2 NWs/Ti、Fe-TiOx LNWs/Ti 和 RuO2 在 0.5 M H2SO4 中以 5 mV·s-1 的扫描速率进行的极化曲线；

b) /Ti、Fe2O3/Ti、Fe2O3/TiO2 NWs/Ti 和 Fe-TiOx LNWs/Ti 的电容电流曲线；

c）代表性OER催化剂在酸性电解质中的性能总结；

d) 相应的塔菲尔斜率；

e）300 mV过电位下Fe/Ti、Fe2O3/Ti、Fe2O3/TiO2 NWs/Ti和Fe-TiOx LNWs/Ti的交流阻抗曲线；

f）不同过电位下Fe-TiOx LNWs/Ti的交流阻抗曲线。

图6 催化剂稳定性试验

a) Fe2O3/Ti、Fe2O3/TiO2 NWs/Ti、以及 Fe-TiOx LNWs/Ti 的长期稳定性；

b,c)催化剂稳定性测试前后的Fe 2p XPS光谱；

d、g）稳定性测试前后 Fe-TiOx LNWs/Ti 的 SEM 图像。

e,h) 稳定性测试前后 Fe2O3/TiO2 NWs/Ti 的 SEM 图像；

f,i) 稳定性测试前后 Fe2O3/Ti 的 SEM 图像。

【概括】

研究人员采用泡沫钛作为基底材料，将氧化铁嵌入TiO2纳米线中，从而制备出在酸性条件下稳定的OER电催化剂（Fe-TiOx LNWs/Ti）。制备出的Fe-TiOx LNWs/Ti在酸性溶液中具有非凡的电催化OER活性和稳定性，起始电位为1.49 V（vs. RHE, 1 mA·cm-2），Tafel斜率为126.2 mV·dec-1。催化剂优异的OER性能应归功于TiO2纳米线，它不仅提高了铁在酸性溶液中的OER稳定性，而且可以暴露铁的活性位点，提高OER活性。这一发现为在酸性介质中制备稳定高效的非贵金属OER电催化剂提供了一种简单可行的路线。值得注意的是，许多OER电催化剂在酸性电解质中的OER过程中电流密度一般很小，这个问题在本研究中也存在。 因此，研究如何提高酸性电解质中OER电催化剂的电流密度是未来亟待解决的问题。

文献链接：Iron Oxide - an and for in Media (Nano, 2017, DOI: 10.1016/j..2017.12.029)

【通讯作者简介】

（1）周维嘉博士，现任华南理工大学环境与能源学院副教授，2014年入选“珠江科技新星”，2017年入选“广东省特支计划青年人才”和“广东省自然科学杰出青年基金获得者”。以第一作者或通讯作者在Sci.、Angew.Chem. Int. Ed.、ACS NANO、Adv. Funct. Mater.、Nano等期刊发表SCI论文40余篇，他引2300余次，ESI高被引论文13篇，入选中国最具影响力的100篇国际学术论文；授权发明专利5项。主要研究方向为纳米储能与转化技术中的电催化研究、环境废弃物新能源资源回收利用研究。 目前研究方向包括：（1）过渡金属-碳、钼基电催化剂的设计合成及光电催化分解水性能研究；（2）超级电容器三维多层次电极的构筑及性能调控；（3）氧还原反应等电催化研究。

（2）桑元华博士现为山东大学晶体材料国家重点实验室副教授，以第一作者或通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Mater.、Nano、Nano、Small等期刊发表SCI论文30余篇，拥有授权发明专利8项。主要研究方向包括：（1）透明陶瓷；（2）单晶生长；（3）新能源与环境材料研究。

(3)刘宏教授就职于山东大学晶体材料国家重点实验室，是国家杰出青年科学基金获得者、国家重点研发计划首席科学家，兼任中国硅酸盐学会晶体生长分会委员、中国光学学会材料专业委员会委员、中国材料研究学会纳米材料与器件分会委员。主要研究方向为纳米能源材料、组织工程与干细胞分化、人工晶体材料等。近十余年来承担了国家重点研发计划项目、863、973、自然科学基金重大项目等十余项国家级科研项目，并取得重要进展。2004年以来在Adv. Mater.、Nano、ACS Nano、J. Am. Chem. Soc、Adv. Fun. Mater、Envir. Eng.等学术期刊上发表SCI文章200余篇。 Sci.等，其中影响因子大于10的有近30篇，文章总引用次数超过11000次，H因子为49。

（4）课题组在水光电解相关领域的代表工作：

[1] Jin Jia, Tanli Xiong, Lili Zhao, Fulei Wang, Hong Liu, Hu, Jian Zhou, Zhou*, 和 Chen, N-Doped Mo2C with Sites as for, ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/。

[2] Jin Jia, Zhou*, Wei, Tanli Xiong, Li, Lili Zhao, Zhang, Hong Liu, Jian Zhou, Chen*, 关于Cu-MoO2 的合成, Nano, 2017, 41, 749-757;

[3] Yang, Zhou*, Jin Jia, Tanli Xiong, Kai Zhou, Feng, Jian Zhou, Tang, Chen, into fiber via metal-as and for, 2017, 122, 710-717。

[4] Lili Zhao, Jin Jia, Yang, Yu, Aili Wang, Sang*, Zhou*, Hong Liu*, One-step of CdS /MoS2 on sheet for H2, B: , 2017, 210, 290–296。

[5] Zhou*，Jia Lu，Kai Zhou，Yang，Ke，Tang，Chen*，CoSe2 from MOFs as for，Nano，2016，28，143–150。

[6] 周*，金嘉，贾璐，侯李*，陈文，基于纳米技术，纳米技术，2016，28： 29-43。

[7] 周谭丽，熊坦莉，石建周，周凯，朱莉桂，李丽贵，唐陈，著，Angew. 化学。 国际化编辑，2016，128，8556-8560。

[8] 周冷，*，黄吉林，赵杰，詹文斌，冯唐，陈红，刘红*，以及自掺杂根部作为高非金属材料的应用，纳米，2015，16，357。

[9] 周学军，曹晓黄，谭建田，刘红，*王和张华，*低温下Ni3S2/Ni泡沫的制备。 科学，2013，6，2921-2924

[10] 周银，杜晓，黄曾，范红，刘红*，王建军，张华*，少层MoS2-TiO2复合材料的制备，Small，2013，9，140-147

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