構造自適應異質結作為析氧反應的高活性催化劑

本文來自微信公眾號：X-MOLNews

電化學水分解對綠色能源技術至關重要。其中，析氧反應（OER）需要一個與O=O鍵形成相關的高過電勢，這決定了整個過程的能量效率。活化金屬氧化物中氧的陰離子氧化還原化學，包括形成超氧化物/過氧化物(O2)n-，通常發生在大多數高活性催化劑的OER過程中。基於此，南洋理工大學的徐梽川課題組設計了一種電化學脫鋰LiNiO2催化劑，在電化學脫鋰過程中，富鎳表面在循環過程中轉變為NiOOH。同時，脫鋰的LiNiO2具有大量鋰空位，進一步促進NiOOH脫質子形成穩定的NiOO*，從而表現出優異OER活性。作者特別感謝物理所谷林老師，新加坡科技局杜永華老師、習世博老師，和北航商廣義老師的合作與支持。

高性能、低成本的OER催化劑的設計對高效水電解池的開發具有重要意義。具有較高OER活性的過渡金屬氧化物（TMOs）有望在鹼性電解池中應用。最活躍的TMOs，例如Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ、PrBaCo2O5+δ、CoFexAl2-xO4（x≈0–2.0）等通常在OER過程中隨著結構和成分的變化而引起表面再結構和/或非晶化，在可觸及的深層表面上失去長程結晶序。目前對重構導致OER增強的理解是由於形成了活性氧（超氧/過氧化物樣(O2)n-），此外，科學家也已經認識到去質子化是形成超氧/過氧類活性氧的關鍵。因此，在催化劑表面上製備這樣的活性氧是開發高效OER催化劑的有前途的策略。

徐梽川課題組設計了一種電化學脫鋰LiNiO2催化劑，它利用了NiOO*的優點，從而在不含Fe的情況下具有較高的OER活性。在電化學脫鋰過程中，富鎳表面在循環過程中轉變為NiOOH。研究者首先證明了脫鋰LiNiO2/NiOOH異質結的存在，然後揭示了結構演化，包括Li/Ni比、Ni價態、Ni-O鍵長/共價性等。這種活性增強的起源在於脫鋰LiNiO2/NiOOH異質結的形成，它不僅提高了溶液的電子轉移速率，同時，鋰空位可以優化NiOOH表面的電子結構，形成具有較高Ni價態的穩定NiOO*物種。結合理論計算，研究者們進一步證實了NiOOH的去質子化通過在氧原子上形成局部電子空穴來進行電荷補償，該電子空穴充當促進OER的親電子中心。這項研究為異質結界面的動態行為提供了新的見解，以指導未來電催化劑的設計。

這一成果近期發表在在國際知名期刊Advanced Materials 上。Xiao Ren和Chao Wei為本文的共同第一作者。

Constructing an Adaptive Heterojunction as a Highly Active Catalyst for the Oxygen Evolution Reaction

Xiao Ren, Chao Wei, Yuanmiao Sun, Xiaozhi Liu, Fanqi Meng, Xiaoxia Meng, Shengnan Sun, Shibo Xi, Yonghua Du, Zhuanfang Bi, Guangyi Shang, Adrian C. Fisher, Lin Gu, Zhichuan J. Xu

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202001292

導師簡介

徐梽川，新加坡南洋理工大學材料科學與工程學院的副教授。於蘭州大學獲得學士學位和博士學位。並分別在紐約州立大學和中科院物理研究所擔任研究助理。2009-2012年在麻省理工學院從事博士後研究工作。他是國際電化學會（ISE）、電化學協會（ECS）和美國科學促進協會（AAAS）的會員，並擔任ECS新加坡分會主席。在2017年被選為英國皇家化學會會士，並擔任國產期刊Nano-Micro Letters副編輯和Electrochimica Acta、《歐洲化學》客座編輯。目前，其論文總被引超過12000次，H因子57。2019年獲得國際電化學協會Zhaowu Tian Prize for Energy Electrochemistry。他還是科睿唯安2018年和2019年連續兩年的高被引學者。

研究方向：主要從事電化學能源材料、電催化等方向研究。

https://www.x-mol.com/university/faculty/38302