樓雄文教授課題組:金屬原子摻雜的Co3O4多層納米片用於電催化產氧

2021-01-21 催化開天地

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電催化基於多層結構和雜原子摻雜的非貴金屬氧化材料對於高效低成本電化學分解水系統具有重要影響。

基於此，新加坡南洋理工大學的樓雄文教授課題組研究報導了13種不同金屬原子摻雜的超薄Co3O4納米片合成的空心納米片。

這個合成材料包含共腐蝕-配位-重組的方法源於咪唑框架67（ZIF-67）納米片，通過路易斯酸蝕刻和金屬物質配位形成獨特交叉通道。

又通過溶熱反應轉化為中空Co3O4多層超薄納米片，使被摻雜金屬物質進入Co3O4的八面體的位置。文章發現，摻雜少量鐵原子的Co3O4材料可以大大增強對析氧反應的電催化活性。

獲得的摻雜鐵的Co3O4多層納米片顯示出極好的電化學催化表現對於析氧反應，且在高電流密度下表現出極佳穩定性。

該文章「Metal Atom‐Doped Co3O4 Hierarchical Nanoplates for Electrocatalytic Oxygen Evolution」發表在《Advanced Materials》期刊上。

析氧反應關鍵是可充電金屬-空氣電池中發生的電催化反應。然而，多步質子耦合電子轉移過程涉及析氧反應導致緩慢的動力學，限制了能量轉換效率。

迄今為止，RuO2和IrO2被認為是最好的材料，但價格昂貴不能量產。過渡金屬氧化物（TMOs），尤其是Co3O4最近被認為是貴金屬氧化物的有效替代品。但報導的Co3O4材料活性不如貴金屬，因此將金屬原子摻雜到Co3O4能有效提高活性。

材料製作方法為蝕刻-協調-重組，製備過程及表徵結果如圖1所示。作者採用了新型沸石咪唑框架67（ZIF-67）作為合成摻雜Co3O4金屬原子電催化劑的前體。

酸蝕刻反應通過將客體金屬鹽作為路易斯酸引入反應體系，使ZIF-67從固體納米材料轉變為具有獨特交叉通道的中空納米材料。

摻雜金屬物質吸附在中空ZIF-67納米材料的內外表面。經過溶熱反應後，這些中空的ZIF-67納米材料被轉化為分層結構由超薄納米片組裝的Co3O4納米材料。

圖1 刻蝕和元素摻雜過程電鏡表徵結果

表徵分析其結構可知，如圖2所示，金屬原子修飾ZIF-67納米片通過路易斯酸蝕刻和金屬物質配位形成獨特交叉通道。

這個複合納米片通過溶熱反應轉化為中空Co3O4多層超薄納米片，該過程Fe被摻雜進Co3O4的八面體的位置，Fe元素的價態與Co類似，且未出現團簇。

圖2 不同濃度路易斯酸刻蝕不同時間透射電鏡

蝕刻過程主要歸因於FeCl2鹽的路易斯酸，產生交叉溝道的ZIF-67納米材料。目前的方法可以很容易地擴展到許多其他金屬併入ZIF-67納米材料中，範圍從III B到V元素周期表中的一個基團，用來產生摻雜金屬的ZIF-67（M-ZIF-67）具有跨通道的納米材料，如圖3所示。

圖3 不同金屬刻蝕插入ZIF-67 納米材料情況

作者研發的製備方案，有利於研發新型高效的電催化載體材料。同時該材料也有望成為其他催化過程的載體材料。

Song Lin Zhang為文章的第一作者，新加坡南洋理工大學的Wen (David) Lou教授等為文章的通訊作者。

【文章連結】

Metal Atom-Doped Co3O4 Hierarchical Nanoplates for Electrocatalytic Oxygen EvolutionS. L. Zhang, Dr. B. Y. Guan, Dr. X. F. Lu, Prof. X. W. LouAdvanced Materials, 2020-06-23DOI: 10.1002/adma.202002235華算科技專注理論計算模擬服務，是唯一擁有VASP商業版權及其計算服務資質、唯一擁有海外高層次全職技術團隊的正規機構！採用第一性原理計算與分子動力學、蒙特卡羅等方法相結合，對電池、催化、納米材料、生物醫藥等進行多尺度設計與模擬，專注為海內外催化、納米及能源領域科研人員提供材料計算模擬整體技術解決方案。客戶群體：已為清華、北大、天大、北理、北航、西交、華工、同濟、復旦以及中科院各大院所等百餘個高校院所提供超過1000個解決方案。

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