磁场效应对理解水分解反应物的可能意义

电催化水分解由两个基元反应构成,即析氢反应(HER)和析氧反应(OER).开发强大的HER和OER技术需要在分子层面理解反应机理,然而,目前水分解反应的反应物还没有完全确定.本文利用磁场来研究HER中的质子传输和OER中的氢离子传输,对确定HER和OER中真实的反应物具有重要意义.磁场是改变离子等带电物质运动的一种有效...     

电催化析氧反应过渡金属磷化物和硫化物催化剂研究进展（英文）

对化石能源的依赖所造成的环境污染和能源危机在全球引起了广泛的关注.氢能由于其高能量密度、低分子质量以及清洁无污染的优点,被认为是人类根本性解决能源与环境等全球性问题的理想替代能源.电解水是生产高纯度氢的重要方法,是现代清洁能源技术的重要组成部分.水电解由阴极析氢(HER)和阳极析氧(OER)两个半反应构成.对于HER反应,其反应是基于二电子转移过程,反应过程相对容易进行.相比于HER反应,OER反应涉及四电子转移及氧-氧键形成,其反应动力学缓慢,是影响水电解效率的主要原因.因此,为了提高电解水制氢的能量转化效率,发展OER电催化剂成为水电解制氢技术的关键.在过去的十余年间,硫化物、硒化物、磷化物、硼化物等非贵金属基OER电催化剂被大量地研究及报道并取得了长足发展.在这些催化剂中,金属磷化物和硫化物不仅具有成本优势,而且在析氧过电位、耐久性方面正趋接近甚至超越RuO_2和IrO_2等贵金属催化剂,颇具应用潜力.本文总结磷化物和硫化物作为OER电催化剂的研究进展,重点介绍了磷化物和硫化物性能提升策略及其在OER过程中催化反应活性位的变化.本文首先介绍了电解水析氧反应在不同电解质中的反应机理,讨论了析氧反应在动力学和热力学过程的主要障碍.通过对大量文献的归纳,本文分别综述了磷化物和硫化物的化学性质、合成方法和催化性能,介绍了近年来磷化物和硫化物的重要研究进展.通过分析催化剂导电性、质子传输、活性面积、界面化学等因素对催化析氧反应的影响,总结了磷化物和硫化物电催化OER性能提升的策略.由于磷化物和硫化物在OER强氧化条件下,电催化剂表面的成分、物相及结构均会发生显著变化,进而催化反应活性位也会发生相应改变.本文综述了磷化物和硫化物在OER反应过程前后表面组分的变化,探讨了磷化物和硫化物作为OER电催化剂的活性组分,为进一步提高磷化物和硫化物的电催化析氧反应性能提供了崭新的思路.     

析氧反应铁镍基预催化剂的表界面调控与进展

析氧反应（OER）是水分解中重要的半反应, 为提高其催化性能,开发高效非贵金属催化剂已成为当前的研究重点。铁镍（FeNi）基材料被认为是最好的预催化剂, 在催化过程中,它们的表面将转变成高价态金属氧化物或氢氧化物作为真正的活性物质。FeNi基预催化剂的结构和形貌在很大程度上影响了其催化性能, 因此, 优化和调整FeNi基预催化剂的结构和化学环境可以提高电催化性能。基于我们的研究工作, 我们撰写了FeNi基预催化剂的表面结构调控促进电化学析氧反应的研究进展。我们首先介绍了碱性OER的反应机理, 然后从杂原子掺杂、表面成分改性、选择性结构转变、表面化学状态调节、异质结构构建和载体效应等方面讨论了FeNi基预催化剂表面调控对析氧反应性能的影响。尽管在OER反应中FeNi都被认为转变成高价态的金属活性物质, Fe/Ni体系的表面结构、形貌和化学状态仍然能够显著影响其最终的催化性能, 即FeNi基预催化剂的性质会影响析氧反应的催化性能。通过精细设计并尽量提高Fe和Ni的协同作用将有利用提升氧析出的催化性能。我们希望本综述能够对FeNi基预催化剂的制备和表界面性质调控与电催化析氧反应性能的理解有所帮助。     

氧空位和磷掺杂协同增强铁钴基材料电解水催化性能

为了研发高效、稳定的电解水催化剂,我们以氧空位和磷掺杂为基础,通过原位浸泡生长和两步热处理的方法,在泡沫铁上合成具有氧空位和磷掺杂的纳米花结构作为析氢反应(HER)和析氧反应(OER)双功能电催化剂。CoFe₂O₄已被报道为一种很有前途的OER和氧还原反应(ORR)电催化剂,然而CoFe₂O₄在HER中表现出电导率差、电催化反应慢的特性。CoFe₂O₄中氧空位(Ov)的形成可以有效调控催化剂表面的电子结构,有助于产生更多的缺陷和空位,从而提高OER的活性。随后,引入磷原子填充在空位中,制备的P-Ov-CoFe₂O₄/IF在碱性电催化测试中展现出优异的HER和OER性能,在10 mA·cm^-2电流密度下HER和OER过电位仅为54和191 mV,Tafel斜率分别为57和54 mV·dec^-1,并具有良好的循环稳定性。     

自支撑NiFe LDH-MoSx集成电极在工业电解水条件下实现高效电解水

化石燃料的枯竭和不断增长的能源需求给人类带来巨大的挑战,加之能源消耗过程带来的环境问题使得开发清洁可再生绿色能源迫在眉睫.氢能具有零排放、可再生、能量高和来源广等特点,且可通过化石能源和电解水制取,是未来人类最理想的替代能源之一.相较于化石能源制氢,电解水制氢被认为是一种最有前途的清洁制氢技术,能够将可再生能源(例如太阳能和风能)产生的剩余电能以化学能的形式存储起来.电解水反应由发生在阴极的析氢反应与发生在阳极的析氧反应组成.其中,析氧反应涉及多个质子和电子转移,反应动力学缓慢严重限制了其水分解的整体效率.为满足实际应用,亟待开发低成本、高催化活性和在工业电解条件(60～80℃,20％～30％ KOH,400 mA·cm-2)下长期稳定性强等特性的析氧催化剂.本文报道了一种用于析氧反应的自支撑泡沫镍铁自支撑的镍铁层状双金属氢氧化物-二硫化钼(NiFe LDH-MoSx/INF)集成电极,在正常碱性测试条件(25℃,1 M KOH)和模拟工业电解条件(65 ° C,5 M KOH)下均表现出优异的催化性能.优化后的电极在一般碱性测试条件下,过电势仅需195和290 mV即可达到100和400 mA·cm-2的电流密度.在模拟工业电解条件下达到相同的电流密度,过电势只需156和201 mV.在两种条件下进行长期稳定性测试,催化剂均未观察到明显的失活现象.在两电极体系(NiFe LDH-MoSx/INF ‖ 20％Pt/C)全解水测试中,达到100 mA·cm2的电流密度仅需1.72 V的电压.还使用NiFe LDH-MoSx/INF作为阳极催化剂构建膜电极并评价其阴离子交换膜电解水的性能:在400 mA·cm-2的电流密度下能量转换效率(60℃,1 M KOH)为71.8％.综上,原位生长策略保证了此类电极的长期稳定性.硫化基底的存在可以控制NiFe LDH的生长厚度,从而提高集成电极的整体导电性.另外,MoSx的引入进一步调节了NiFe LDH的电子结构,进而优化了反应中间体的吸附能及状态.在模拟工业操作条件下进行的电化学测试进一步证实了多孔三维自支撑NiFe LDH-MoSx/INF集成电极具有在工业电解水中大规模应用的前景.本文为合理设计用于工业阴离子交换膜水电解的非贵金属析氧催化剂提供新的策略.     

自支撑NiFe LDH-MoS_x集成电极在工业电解水条件下实现高效电解水（英文）

化石燃料的枯竭和不断增长的能源需求给人类带来巨大的挑战,加之能源消耗过程带来的环境问题使得开发清洁可再生绿色能源迫在眉睫.氢能具有零排放、可再生、能量高和来源广等特点,且可通过化石能源和电解水制取,是未来人类最理想的替代能源之一.相较于化石能源制氢,电解水制氢被认为是一种最有前途的清洁制氢技术,能够将可再生能源(例如太阳能和风能)产生的剩余电能以化学能的形式存储起来.电解水反应由发生在阴极的析氢反应与发生在阳极的析氧反应组成.其中,析氧反应涉及多个质子和电子转移,反应动力学缓慢严重限制了其水分解的整体效率.为满足实际应用,亟待开发低成本、高催化活性和在工业电解条件(60～80℃,20%～30%KOH,400 mA·cm~(-2))下长期稳定性强等特性的析氧催化剂.本文报道了一种用于析氧反应的自支撑泡沫镍铁自支撑的镍铁层状双金属氢氧化物-二硫化钼(NiFe LDH-Mo S_x/INF)集成电极,在正常碱性测试条件(25℃,1 M KOH)和模拟工业电解条件(65℃,5 M KOH)下均表现出优异的催化性能.优化后的电极在一般碱性测试条件下,过电势仅需195和290 mV即可达到100和400 m A·cm~(-2)的电流密度.在模拟工业电解条件下达到相同的电流密度,过电势只需156和201 m V.在两种条件下进行长期稳定性测试,催化剂均未观察到明显的失活现象.在两电极体系(NiFe LDH-Mo S_x/INF||20%Pt/C)全解水测试中,达到100 mA·cm~(-2)的电流密度仅需1.72 V的电压.还使用NiFe LDH-Mo S_x/INF作为阳极催化剂构建膜电极并评价其阴离子交换膜电解水的性能:在400m A·cm~(-2)的电流密度下能量转换效率(60℃,1 M KOH)为71.8%.综上,原位生长策略保证了此类电极的长期稳定性.硫化基底的存在可以控制NiFe LDH的生长厚度,从而提高集成电极的整体导电性.另外,Mo S_x的引入进一步调节了NiFe LDH的电子结构,进而优化了反应中间体的吸附能及状态.在模拟工业操作条件下进行的电化学测试进一步证实了多孔三维自支撑NiFe LDH-MoS_x/INF集成电极具有在工业电解水中大规模应用的前景.本文为合理设计用于工业阴离子交换膜水电解的非贵金属析氧催化剂提供新的策略.     

钨掺杂的铁镍基层状氢氧化物用于电催化析氧和析氢反应

采用简便的一步水热合成法,在泡沫镍上原位生长微量W~(6+)掺入的Fe_(0.2)Ni(OH)_2双金属层状氢氧化物(LDH),以此来降低铁镍材料的过电势。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)等分析方法对材料形貌、组成、结构等进行表征,发现钨掺杂使催化剂材料的晶体结构和电子结构发生变化,W_(0.03)Fe_(0.2)Ni(OH)_2LDH表现出优异的电化学析氧(OER)和析氢(HER)性能。电化学测试表明该催化剂在25 mA·cm~(-2)电流密度下OER和HER过电势分别仅有271和208 mV,塔菲尔斜率分别为61和181 mV·dec~(-1)。此外,经过长达20 h计时电位稳定性测试后,材料的催化性能未见明显下降。     

原位Raman光谱揭示中性条件下硫化钼结构变化对其电催化析氢反应的促进作用

硫化钼是析氢反应(HER)有前途的电催化剂. S-或Mo物种均被认为是形成吸附氢触发HER反应的活性位, 但Mo中心和S配体间相互作用的本质仍不清楚. 另外, 采用中性的水作为质子源用于产氢, 来开发低成本的水裂解催化剂体系为研究者高度关注, 但人们很少研究中性水条件下HER反应的机理. 本文采用原位电化学Raman光谱对所合成的硫化钼中Mo-Mo和S-S物种在中性条件下的结构变化进行了监测. 结果显示, 归属于端位S-S物种的谱带随着Mo-Mo, Mo3-μ3S和Mo-S振动谱带频率而同步变化, 表明Mo-Mo键与端位S-S键起着协同作用, 从而有利于氢气的生成. 这可能是通过三核Mo3-μ3S物种的内部重组而确认的. 本文所揭示的HER反应中金属-配体相互作用的本质与作用表明了一个不同的反应机理, 而以往的机理认为, S或Mo活性位独立起作用而促进HER反应的进行.     

高熵合金金属烯用于酸性条件下全水分解（英文）

质子交换膜水电解槽(PEMWE)因其在低温下的高效率和高功率密度,成为新一代电解槽的发展方向.在水的电解过程中,设计高效稳定的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)催化剂是进一步提高电解槽应用的前提.根据HER和OER “火山型”分布曲线,贵金属(Ir,Ru等)依然是主要的基准电催化剂.对于酸性条件下全水分解,Ir基和Ru基双功能催化剂仍然是最常见的选择.然而,与Ir基催化剂相比,Ru基催化剂在酸性条件下的高溶解速率易导致催化剂快速失活,大大降低了其实际应用价值.目前,酸性条件下全水分解的Ir基催化剂也取得了一些成果,如合金(如PdCu/Ir,Au@AuIr₂,IrTe纳米棒和IrNi合金纳米花)、钙钛矿(如AIrO₃)、硒化物(如Li-IrSe₂)和团簇(如Ir纳米团簇,IrNi纳米团簇)等.然而,Ir基材料在高电流密度下仍然面临质量活性低和稳定性有限的挑战(100 mA cm^-2时的过电位超过420 mV,酸性整体水分解在高电流密度下的长期稳定性差).上述问题使得电催化剂无法满足PEMWE的应用...     

解耦质子-电子传输促进Ru-Pb二元电催化剂上的OER动力学

开发酸性条件下的析氧反应(OER)电催化剂是质子交换膜(PEM)电解水技术的核心问题.Ru基催化剂作为酸性OER中的基准催化剂,其OER活性被传统的协同质子-电子转移过程带来的比例关系所限制,仍然存在动力学迟缓的问题.基于荷电表面可能有利于加速OER动力学的认识,本文将具有赝电容性质的元素Pb加入Ru基催化剂中以提升O...     

偶氮四唑钾盐的绿色电合成反应耦合WS2纳米片催化电解水制氢

析氧反应(OER)作为动力学缓慢的四电子多步骤反应过程,限制了电催化水分解制氢的反应速率,降低了电催化水分解制氢的整体效率,以热力学更有利的有机含能材料氧化反应替代OER与析氢反应(HER)耦合,在降低槽压制得氢气的同时能得到高附加值的化工产品.本文建立了一种新的耦合体系,在阳极侧制备含能离子盐[偶氮四唑钾盐(K₂AZT)]的同时,阴极侧以碳布负载的二硫化钨纳米片(CC@WS₂ NSs)作为HER催化剂促进H₂的形成.该体系仅需要1.65 V的槽电压即可达到10 m A/cm²的电流密度,相比于CC@WS₂ NSs/CF全解水体系(1.87 V)降低了220 m V.耦合体系在至少15 h内保持平稳运行,表现出优异的稳定性能.通过绿色安全的电化学法制备含能化合物避免了传统有机合成方法高能耗、高风险和高成本等问题,为安全生产含能材料提供了新的合成策略.     

泡沫镍铁合金自支撑NiFeOOH纳米片的制备及析氧性能研究

电催化析氧反应(OER)是电解水制氢的重要半电池反应。然而,OER的缓慢动力学仍需研究高效的电催化剂。在非贵金属催化剂中,NiFe基材料是OER催化剂研究热点。本文通过食人鱼溶液简单一步浸渍刻蚀法将不同Fe含量的泡沫NiFe合金进行氧化,制备了表面具有纳米片形貌的NiFeOOH自支撑电催化剂,并深入研究其电催化析氧性能。通过SEM、XRD、XPS等对电催化剂的形貌结构及成分进行表征,证实了三维多孔基底上NiFeOOH纳米片结构的形成。由于高价镍、铁物种的存在以及二维纳米片结构的生成,NiFeOOH/NF的析氧性能大幅度提高,在10 mA?cm-2的电流密度下过电位仅155.68 mV,Tafel斜率为 88.2 mV?dec-1。这为研制高效、耐用的自支撑非贵金属电极提供了新思路。     

一种高效的非晶态Co(OH)2水氧化电催化剂

电催化氧化水包括析氧和析氢两个半反应(OER和HER),而其中合成高效廉价的催化剂则至关重要.合成了在碱性溶液中具有高活性、良好稳定性的非晶态Co(OH)_2纳米材料用于析氧反应催化剂,实验证明该材料的性能可以和商用RuO_2相媲美.与目前商用的RuO_2催化剂相比,非晶态Co(OH)_2材料的塔菲尔斜率较小,仅为67 mV/decade,且经过24 h的电流i-t曲线测试衰减较少.此外,该非晶态Co(OH)_2纳米管的性能优于晶态Co(OH)_2纳米管.因此,非晶态Co(OH)_2纳米材料是一种很有前途的析氧反应催化剂.     

选择性硒掺杂提高NiFe2O4/NiOOH异质结电催化析氧性能

氢能具有能量密度高、清洁无污染等优势,被认为是理想的能源,受到越来越多的关注.利用太阳能和风能等可再生能源电解水制氢是一种极具发展前景的可以规模化获取清洁氢气的能源技术,其挑战在于如何降低电能消耗并实现稳定地高速电解制氢.由于电解水阳极析氧反应(OER)涉及四电子转移,动力学过程缓慢,是电解水过程的决速步骤.因此,开发高效、廉价、稳定的OER电催化剂对于推动电解水制氢的应用至关重要.硫族化合物具有良好的导电性,对OER中间体表现出适宜的吸附/脱附能力,是一类高活性的析氧电催化剂.但在析氧反应中硫族化合物会不可避免地发生氧化,导致其结构坍塌,使其性能发生大幅衰减.NiOOH被认为是Ni(OH)2、NiSe和NiS等镍基电催化剂析氧过程中的真实催化活性位点,在析氧反应过程中表现出优异的稳定性.因此,结合硫族化合物的高催化活性和羟基氧化物的高稳定性,将有望获得高效稳定的析氧电催化剂.本文提出了一种选择性硒掺杂的策略,实现了不锈钢基底上NiFe2O4/NiOOH异质结的选择性硒掺杂,获得了硒掺杂浓度可调的NiFe2O4-xSex/NiOOH异质结电催化剂,大幅提升了其电催化析氧性能.采用X射线衍射技术、拉曼光谱、扫描电镜和透射电镜技术等对NiFe2O4/NiOOH异质结的结构、形貌和组分进行了表征.利用X射线光电子能谱和透射电镜的能量色散光谱仪对硒掺杂产物的元素组成和分布进行了分析.结果表明,硒元素仅掺杂到NiFe2O4纳米颗粒中,而NiOOH纳米片骨架保持不变,保证了催化剂在析氧过程的稳定性.NiFe2O4-xSex/NiOOH异质结电极在1 M KOH溶液中表现出较好的析氧性能,达到10和500 mA cm^?2电流密度所需要的过电位分别仅为153和259 mV,塔菲尔斜率为22.2 mV dec^?1.更重要的是,NiFe2O4-xSex/NiOOH电催化剂的电化学性能稳定性,计时电流测试表明,在10~400 mA cm^?2电流密度下可稳定工作.稳定性测试表明,催化剂在100 mA cm^?2的电流密度下可稳定工作至少300 h.电催化过程研究表明,选择性硒掺杂提高了界面间电荷输运能力,改善了电极表面的浸润性,优化了活性位点的电子结构,从而大幅提高催化剂的电催化性能.密度泛函理论计算结果表明,硒掺杂会导致NiFe2O4表面晶格发生畸变,显著改善了反应中间体的吸附过程,因此明显降低了析氧反应决速步骤的能垒.本研究结果将为未来探索高效和稳定的电催化剂提供新的研究思路.     

Ni-Fe合金泡沫的制备及电解水析氧性能研究（英文）

NiFe羟基氧化物及其氢氧化物是一种有效的、含量丰富的且廉价的析氧反应催化剂。然而,这类催化剂有着不可避免的缺陷—易脱落,严重影响了它的长期稳定性,因而阻碍了其工业应用;同时,导电性不高导致了其在析氧反应时较高的过电位。本文采用共电沉积法和模板去除法,利用聚氨酯海绵作为模板,电沉积了不同Fe含量的NiFe合金泡沫用于催化析氧反应,并通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分别表征了NiFe合金泡沫的物理性质,表明催化剂中Ni和Fe元素的存在及其分布均匀,形成了多孔NiFe合金。通过循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)、电化学阻抗谱法(EIS)、I-t等测试了其OER性能。含铁量为30%的NiFe合金泡沫在过电位为292 mV即可产生10 mA/cm~2的电流密度,Tafel斜率为126.12 mV/decade,且具有良好的长期稳定性。由于没有任何复杂的电极制备方法和黏合剂,本文所研究的NiFe合金泡沫非常适用于作为工业碱性介质中电解水的阳极材料。     

析氧反应中催化剂-电解质界面的质子动力学研究

电催化水分解是一种可持续的绿色产氢技术,该技术在工业化的大规模应用急需开发高效稳定的非贵金属催化剂,用于提高析氧反应(OER)的反应速率.研究发现,钙钛矿氧化物是优异的OER催化剂,但是对于发生在催化剂-电解质固液界面上的反应机理仍有争论.目前普遍认为,在OER反应过程中,水分子吸附在金属氧化物催化剂表面的金属活性中心...     

原位Raman光谱揭示中性条件下硫化钼结构变化对其电催化析氢反应的促进作用（英文）

硫化钼是析氢反应(HER)有前途的电催化剂.S-或Mo物种均被认为是形成吸附氢触发HER反应的活性位,但Mo中心和S配体间相互作用的本质仍不清楚.另外,采用中性的水作为质子源用于产氢,来开发低成本的水裂解催化剂体系为研究者高度关注,但人们很少研究中性水条件下HER反应的机理.本文采用原位电化学Raman光谱对所合成的硫化钼中Mo–Mo和S–S物种在中性条件下的结构变化进行了监测.结果显示,归属于端位S–S物种的谱带随着和Mo–S振动谱带频率而同步变化,表明Mo–Mo键与端位S–S键起着协同作用,从而有利于氢气的生成.这可能是通过三核物种的内部重组而确认的.本文所揭示的HER反应中金属-配体相互作用的本质与作用表明了一个不同的反应机理,而以往的机理认为,S或Mo活性位独立起作用而促进HER反应的进行.     

二维石墨炔/金属氢氧化物异质结用于高效析氧反应

析氧反应(OER)是能量转换过程中重要的半反应,开发高效、稳定、低成本的析氧反应催化剂具有重要的意义.本文报道了 一种简单的原位可控生长的方法,在铜双金属氢氧化物纳米片表面原位生长石墨炔薄膜,形成了新型石墨炔/金属氢氧化物异质结界面结构,并通过改变化学组成的方法,实现对其电催化OER活性和稳定性的有效提升.研究结果显示...     

通过拉伸应变调节Ru@RuO_2核壳纳米球中Ru(Ⅳ)的电荷密度并应用于酸性环境电解水产氧（英文）

水作为一种储量巨大且可循环利用的资源,可以被电解槽电化学分解为清洁的氢能和化学品氧气,从而实现环境友好的能源循环.与碱性电解槽相比,质子交换膜(PEM)电解槽具有明显优势,例如更高的电流密度、更高的电压效率、更低的欧姆损耗和更少的不利反应,使其成为生产氢能和氧气的最有希望的装置.作为电化学水分解的半反应之一,氧析出反应(OER)过程是一个四电子和四质子耦合的多步电化学反应,与双电子转移的氢析出发应(HER)相比,需要更高的能量来补偿缓慢的动力学过程.PEM电解槽中高的阳极电势和苛刻的腐蚀环境为阳极电催化剂设定了更高的选择标准,同时由于缺乏高活性和高稳定性的阳极电催化剂,限制了PEM电解槽的广泛应用.在这种条件下,适用的阳极电催化剂主要局限于钌(Ru)和铱(Ir)及其衍生物,因为其固有的电子结构使之具有较高的催化活性.然而,由于Ir的低地球丰度和高成本,人们更希望开发RuO_2基电催化剂.遗憾的是,商业RuO_2电催化剂在酸性介质中的OER过电位仍然过高,稳定性也比在碱性介质中低得多,无法满足实际应用的要求.此外,从实用角度出发,研究者始终希望提高贵金属Ru基电催化剂的本征活性以减少实际应用所需的催化剂量.因此,迫切需要改性RuO_2基电催化剂以提升其在酸性介质中的析氧反应催化活性.迄今,研究已经证实活性中间体*OOH的形成是酸性介质中OER的速率决定步骤(RDS),但是RuO_2基催化剂中Ru4+活性位点对活性中间体*OOH的吸附过强,导致商用RuO_2具有约300 m V的过电势(10 m Acm–2).为了减弱*OOH在Ru4+活性位点上的吸附能并降低RDS能垒,研究人员做了大量的试验来调节Ru4+活性位点的电子结构,包括杂原子掺杂和制备Ru基固溶体.应变效应也是调整合金催化剂电子结构的有效策略.在RuO_2中利用应变来调节Ru4+活性位点的电子结构进而增强其在酸性介质中的OER催化活性是一种简便的手段,但是形成稳定的应变而不引入任何杂原子仍然是一个巨大的挑战.本文首次在不掺杂任何杂原子的情况下,采用一步激光辐照法合成了高效的Ru@RuO_2-L电催化剂,利用Ru@RuO_2核壳纳米颗粒RuO_2壳层的拉伸应变,有效调节了Ru4+的电荷密度,其本征活性显著增强,酸性水氧化的过电位大大降低,远远低于商用RuO_2催化剂.X射线精细吸收结构(XAFS)显示Ru–O键中存在6%的拉伸应变, X射线光电子能谱(XPS)和电子能量损失谱(EELS)表明Ru~(4+)的价态明显增加.Ru@RuO_2-L催化剂在酸性电解液中表现出191 m V的极低过电位(10 m Acm~(–2)),这是迄今为止报道的不借助杂原子修饰的高效Ru基电催化剂的最低值,其面积比活性和质量比活性分别比商用RuO_2催化剂高4倍和18倍.当使用Ru@RuO_2-L作为阳极催化剂在酸性电解液中进行整体水分解时,双电极系统只需要1.45 V的极低的外加电压使系统达到10 m Acm~(–2)电流密度.酸性析氧活性的大幅度提高归因于由拉伸应变引起的Ru4+电荷密度的降低,从而削弱了*OOH在Ru~(X+)(4 X 5)活性位点上的吸附能.     

硫掺杂镍铁层状双氢氧化物的氧析出电催化性能（英文）

氧析出反应(OER)是裂解水、二氧化碳还原、以及可充电的锌空电池等许多技术中重要的半反应,但受限于其迟缓的反应动力学,开发高效的氧析出催化剂迫在眉睫.在OER出反应中,性能较好的非贵金属催化剂主要是第四周期过渡金属的一些化合物,如氧化物、氢氧化物、硫化物、硒化物、磷化物等等.在这些材料中,镍铁双金属化合物被认为是最优的氧析出材料,尤其是镍铁层状双氢氧化物(Ni Fe-LDHs)它拥有较大的电化学活性面积以暴露较多活性位点,同时镍铁两种过渡金属元素存在协同效应,使得其具有良好的催化性能.然而,这一类材料的OER性能仍然有优化的空间.研究表明,将硫化物氧化得到的氢氧化物会有少量的硫元素残留,这种硫残留的氢氧化物拥有十分优异的OER性能.为了进一步认识硫的引入对Ni Fe-LDHs的OER行为的影响,本文通过水热法合成了硫掺杂的Ni Fe-LDHs,考察了硫的掺杂量对催化剂性能的影响,验证了微量硫的存在对Ni Fe-LDHs的OER性能的贡献.扫描电镜图片显示,水热合成的催化剂是厚度为几十纳米的薄片,拥有较高的比表面积, X射线荧光光谱分析证明合成的硫掺杂Ni Fe-LDHs中镍铁的元素比例为4:1,而且硫的掺杂量并不影响催化剂的形貌和其中镍铁元素比.X射线光电子能谱分析表明,硫原子的引入使得铁原子结合能降低,即硫与铁的相互作用部分降低了铁的价态,这种硫和铁的相互作用能够优化OER反应中间体OH*与O*在铁活性位点上的吸附自由能,降低氧析出反应的过电势.电化学测试表明,拥有0.43%的硫掺杂Ni Fe-LDHs拥有最好的氧析出性能, 10 m A cm~(-1)下超电势仅有257 m V, Tafel斜率61.5 m V dec~(-1).此后,随着硫掺杂量的提升,其性能先保持稳定,随后有所下降.在稳定测试中,硫掺杂的镍铁层状双氢氧化物在10 m Acm~(-1)电流密度下循环30 h后过电位仅衰减14 m V.在对稳定性测试后的催化剂进行表征表明,催化剂发生了轻微了变形,但这对性能的影响不大.综上,本文提供了一种简便的通过非金属元素掺杂调控过渡金属氧化物的结构和电子态的方法,有望为设计高活性OER电催化剂提供新思路.