雙金屬MOF、界面電子調控、合金設計、雜原子摻雜納米線、核殼結構

2020-11-30 騰訊網

01

雙金屬MOF作為高效氧電催化劑

開發不含貴金屬的雙功能氧電催化劑對一些關鍵的能源轉換和存儲系統具有重要意義，但仍然存在巨大挑戰。在此，新加坡南洋理工大學樓雄文教授課題組開發了一種轉化方法，以在多-通道碳纖維（MCCF）上生長NiMn-基雙金屬-有機框架（NiMn-MOF）納米片的潛在雙功能氧電催化劑。由於活性NiMn-MOF納米片及其與高度導電的MCCF載體緊密連接，所獲得的MCCF/NiMn-MOFs表現出可與商用Pt/C電催化劑相媲美的氧氣還原反應（ORR）電催化性能和優異的氧氣析出反應（OER）性能（基於基準RuO2電催化劑）。X-射線吸收精細結構（XAFS）譜和密度泛函理論（DFT）計算表明，MCCF/NiMn-MOFs中相鄰Ni和Mn節點強的協同作用有效促進了關鍵*O和*OOH中間體的熱力學，從而實現快速的ORR和OER動力學。

原文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202008129

02

調節界面電子耦合以進行HER

操縱界面電子耦合的能力是實現催化劑按需功能的關鍵。在此，中國科學技術大學錢逸泰/王功名/劉曉靜團隊和國家同步輻射實驗室朱俊發/鄭旭升團隊合作，證明了可以通過空位-介導的軌道操縱來有效地調節Fe2N的電子耦合以進行氫氣析出反應（HER）催化。非原位精修結構分析表明，Fe2N的電子和配位態可以很好地被氮空位所操縱，這與催化活性具有顯著的相關性。理論研究進一步表明，氮的空位可以唯一地控制活性位的軌道取向，以調節電子耦合，從而有利於表面吸附能力。這項工作闡明了對真實系統中催化機理的理解，並可能有助於徹底改變目前用於HER的催化劑設計。

原文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201904346

03

腐蝕與合金設計實現高效分解水

由於清潔能源領域的不斷增長，Ni、Fe、Co、Cu（除稀土金屬外）是一些需求旺盛的關鍵材料。在此，韓國漢陽大學Sung Chul Yi課題組通過將廢舊輪胎的不鏽鋼絲（SSW）作為載體材料，以整合氫氣析出反應（HER）中的催化劑。此外，通過腐蝕設計的SSW被用作原位形成的自支撐堅固電極，以進行氧氣析出反應（OER）。通過SSW的表面腐蝕，內在的活性物質以Ni/FeOOH納米微晶的形式存在，其在1 M KOH中以287 mV低的過電勢（η500）能夠達到500 mA cm-2，顯示出有效的水氧化作用。類似地，具有MoNi4活性（合金）塗層的正極廢料SSW在η-200= 77 mV時催化HER，活化能低（Ea= 16.338 kJ mol-1）且具有150 h長的耐久性。甚至，當在5 M KOH、343 K的工業條件下使用時，這些電極可分別在η= 233 mV和η= 161 mV時產生1000 mA cm-2的高負極和正極電流密度，進一步證明該材料的活性。這項工作可能會激發研究人員探索和重新利用廢料中的高需求金屬，以解決清潔能源技術中的關鍵材料短缺問題。

原文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201904020

04

雜原子摻雜Co納米線有效分解水

為了更好地分解水，必須迅速開發出具有高活性、長期穩定性和成本效益的高效催化劑。在這項工作中，韓國全北國立大學Joong Hee Lee/Duy Thanh Tran團隊製備了一種雙功能催化劑，其由一層薄的Mo，P-共摻雜Co層（約50 nm）和Co納米線（Co-Mo-P/CoNWs）網絡自組裝而成。為達到20 mA cm-2的電流響應，該催化劑對氫氣析出反應和氧氣析出反應可分別展現出0.08和0.27 V低的過電勢，並且在1.0 M KOH介質中具有長期穩定性。出色的性能進一步得到基於Co-Mo-P/CoNWs電解槽的證實，其僅需1.495 V的電池電壓就能達到10 mA cm-2，優於商用的（Pt/C + RuO2/C ）以及最近所報導的。普遍認為，由Mo和P雙重摻雜引起的多活性中心以及增加的活性位點協同促進了氫氣和氧氣的析出性能。這種雜化材料為開發高效且具有成本效益的水分解催化劑開闢了新途徑。

原文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202002533

05

磷摻雜氮化鐵@氮摻雜碳納米片用於水分解

提出一種新穎、經濟、安全的製備方法來設計高效的電催化劑至關重要。在此，濟南大學周偉家/劉宏/Xiaoyan Liu團隊通過原位衍生釀酒酵母（S. cerevisiae），將磷-摻雜的氮化鐵納米離子（被氮-摻雜碳納米片封裝）直接生長在泡沫鐵基底上（P-Fe3N@NC NSs/IF），其中的陰離子元素為S. cerevisiae中的C、N和P都替代了危險的CH4、NH3和H3P。N、P在S. cerevisiae中的擴散方式以及金屬和S. cerevisiae之間的接觸形式可影響高溫煅燒過程中產物的組成和相。所獲得的P-Fe3N@NC NSs/IF表現出優異的電催化性能和耐久性，可用於氫氣析出反應和氧氣析出反應。理論計算證實，P-Fe3N的Fe位點是活性中心，並且N位點和P摻雜調節了氫氣結合強度以增強催化能力。此外，由P-Fe3N@NC NSs/IF組裝成的兩電極電解槽僅需1.61 V的電壓即可達到10 mA cm-2的全解水效果，並具有出色的穩定性。基於S. cerevisiae的工藝為合成氮化物、碳化物、磷化物和電催化應用提供了一種可行的方法。

原文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202001980

（本期作者：毛毛的維）

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