单位西南大学、海南师范大学：析氧反应中镍基催化剂的研究进展

单位西南大学、海南师范大学：析氧反应中镍基催化剂的研究进展

单位：西南大学、海南师范大学

背景

氧析出反应（OER）涉及动力学上缓慢的四电子转移过程，严重限制了整体水分解的效率。研究表明，大多数镍基催化剂在OER电位下发生表面重构和动态相变，其原位衍生的表面金属羟基氧化物（NiOOH）被认为是真正的活性物种，且镍氧化态较低的β-NiOOH表现出比较高氧化态γ相（3+σ）更好的OER活性。Fe掺杂可以改变Ni基催化剂的局部配位环境，形成由桥氧连接的Fe-O-Ni催化位点，从而大大促进Ni基催化剂的OER活性。最近的研究表明，过渡金属氢氧化物中高价金属含氧酸离子也可以以表面吸附或层间嵌入的形式影响其结构的电子相互作用，优化氧中间体在催化剂表面的吸附和解吸，从而提高电催化活性。

这些进展为提高Ni基催化剂的OER活性提供了可行的途径，但将Fe和含氧酸离子等掺杂剂引入Ni氢氧化物基质的最佳方式以及含氧酸离子的具体作用仍不清楚。

介绍

基于此，西南大学胡卫华教授与海南师范大学孙伟教授在国际知名期刊Small上发表了题为“A-Route to Fe/Mo Co-Doped Ni for”的研究论文。

本研究报道了一种独特的等离子刻蚀-电化学掺杂路线制备Fe/Mo共掺杂NiOOH催化剂（p-/NF）。基于等离子刻蚀形成的有缺陷的非晶态氧化物，采用电化学Fe3+/MoO42-动态共掺杂策略来提升NiOOH在碱性介质中的OER活性。用该方法制备的p-/NF催化剂表现出优异的OER活性和稳定性，仅需要274 mV的过电位即可达到100 mA cm-2的电流密度，并在较高的电流密度下稳定运行72小时而没有明显的衰减。结合电化学和原位拉曼表征数据表明，嵌入的MoO42-离子通过稳定高活性的β-NiOOH相并防止其在OER过程中过度氧化，最大限度地提高了Fe掺杂NiOOH的活性。

关键点

重点一：p-/NF催化剂的合成与表征

采用水热法在泡沫镍表面合成Ni(OH)2纳米片，经O2等离子体处理后形成富含缺陷的非晶态氧化物，并在后续的电化学Fe/Mo掺杂过程中发生形貌自修复和相变。利用SEM和TEM对催化剂进行了详细表征。

1. (a) p-/NF 的。(bd) Ni(OH)2/NF (b)、p-Ni(OH)2/NF (c) 和 p-/NF (d) 的 SEM；(eg) Ni(OH)2 (e)、p-Ni(OH)2 (f) 和 p- (g) 的 TEM 和 SAED（右侧）。

要点2：Fe/Mo掺杂行为及其对NiOOH的影响

原位拉曼光谱表明，Fe3+/MoO42-共掺杂加速了纳米片的重构和相变过程，阻止了β-NiOOH过氧化为γ-NiOOH，从而保持了Fe掺杂β-NiOOH较高的OER活性。

2. (ab) - 1.0 M KOH 中 p-Ni(OH)2 的原位拉曼光谱，其中 (c) 有或无 (d) Fe3+/MoO42- 离子。) 和 (480 cm-1) 1.0 M KOH 中 p-Ni(OH)2 的 Ni(III)-O 键，其中 (ν/δ) 为 ；(e) 长期 OER 测试后 p-/NF、p-Ni/NF、/NF 和 Ni/NF 的拉曼光谱，以及 Ni(III)-O 键 (ν/δ) 的 (560 cm-1) 和 (480 cm-1) 峰面积比 (f)。

重点三：催化剂的电化学性能

p-/NF催化剂在碱性介质中表现出优异的OER活性，仅需274 mV的过电位即可达到100 mA cm-2的电流密度，优于非贵金属基准OER催化剂NiFe LDH（294 mV，100 mA cm-2）。此外，该p-/NF催化剂在较高电流密度（100和500 mA cm-2）下表现出优异的稳定性，其OER活性在连续运行72 h后无明显衰减。

3. p-/NF 在 1.0 M KOH 中的 OER。(a) LSV ，(b) 在 100 mA cm-2 () 时和 Tafel 斜率 (顶部)，(c) 在 1.526 V 时 p-/NF 在 /NF、NiFe LDH/NF、p-Ni(OH)2/NF 和 Ni(OH)2/NF 中的绘图；(d) 在 100 和 500 mA cm-2 时 p-/NF 和 NiFe LDH/NF 中的绘图；(e) p-/NF 和非金属基的 OER。

文章链接

Fe/Mo 共掺杂 Ni 的制备方法

关于通讯作者

胡卫华，西南大学教授，主要从事电化学催化、光学检测技术领域的研究。

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