我國科學家製備出析氧反應非貴金屬基催化劑

2020-11-27 中國科學院科技產業網

近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所納米材料與器件技術研究部李越課題組在鐵基納米複合材料的OER催化性能研究方面取得新進展，合成的FeP/Fe3O4/CNTs複合材料展現出優異的析氧反應催化活性及穩定性，並具有很好的本徵活性和快速的動力學過程。該研究對設計非貴金屬基催化劑具有一定的指導意義。相關研究結果發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

能源短缺及環境汙染問題日益嚴峻，尋找可持續清潔能源勢在必行。在較多可持續能源應用中，析氧反應（OER）是關鍵的一步反應。由於OER動力學過程緩慢，特別需要高效催化劑加速反應進程。目前，Ru和Ir氧化物仍被認為是最好的OER催化劑。然而，這些貴金屬相對高昂的價格及稀缺性使大規模商業化應用受到阻礙。

圖1.（a）FeP/Fe3O4/CNTs催化劑的合成機理圖，（b）由核殼結構Fe@Fe3O4形成空心結構FeP/Fe3O4的磷化過程機理圖

因此，研究人員研發出許多過渡金屬基電催化劑來取代貴金屬基催化劑，其中價格低廉且地球儲量豐富的鐵基納米材料更是受到廣泛研究。

過渡金屬磷化物由於具有良好催化活性及穩定性，被證明是一類非常有前景的OER催化劑。較多研究證明將過渡金屬磷化物與其他功能材料協同可以有效提高材料的電催化性能，尤其是過渡金屬氧化物與磷化物之間的電子轉移及協同耦合作用能夠顯著提高磷化物的電催化活性。

然而，在合成納米尺度的過渡金屬磷化物/氧化物顆粒過程中很難避免團聚現象，這將很大程度上影響材料最終的電催化性能。此外，鐵氧化物較差導電性也影響電子傳輸從而阻礙其作為電催化劑的應用。因此，將它們與具有良好導電性的碳基材料[如碳納米管（CNTs）]結合形成複合材料，可以進一步提高其電催化活性。

圖2.（a）-（b）分別為FeP/Fe3O4/CNTs催化劑不同放大倍數下的TEM及HRTEM照片；（c）FeP/Fe3O4/CNTs及對比催化劑在1 M KOH電解液中的測得的LSV曲線；（d）各催化劑對應的塔菲爾曲線

鑑於此，研究人員設計出一種簡單的方法，通過吸附、退火和磷化過程製備出均勻負載在CNTs上的FeP/Fe3O4空心雜化納米顆粒，並作為高效的OER電催化劑。首先，將Fe(NO3)3吸附在經PSS修飾的CNTs上，經過退火處理後得到Fe@Fe3O4/CNTs複合材料，再經過可控的磷化過程最終得到FeP/Fe3O4/CNTs複合材料（圖1）。

該方法合成的FeP/Fe3O4/CNTs複合材料展現出優異的OER催化活性及穩定性。該催化劑具有27.6 mV/s的超低Tafel斜率，以及0.35s-1的較高轉換頻率（TOF），說明該催化劑具有很好的本徵活性和快速的動力學過程（圖2）。

該材料優異的OER性能主要得益於雜化顆粒的中空結構、CNTs的良好導電性以及FeP與Fe3O4之間的電子轉移。這種將複合材料負載在具有良好導電性的CNTs載體上的方法對設計非貴金屬基催化劑具有一定的指導意義。

研究工作得到國家自然科學基金等的資助。

來源：合肥物質科學研究院

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