铁取代的钴-磷多酸作为酸性介质中性能增强的析氧催化剂（英文）

纯无机的非贵金属基双/三金属氢氧(氧)化物因其优异的析氧反应(OER)性能而得到广泛关注及研究.但这些催化剂的原子精度的结构表征较为困难,阻碍了人们对其构效关系的认识,从而影响了进一步对催化性能的精确调控.金属有机框架(MOFs)材料因具有明确的结构及化学组成可调等优点,可以作为一类结构确定的OER电催化剂,但是MOFs为有机配体和金属离子配位形成的框架材料,与金属氢氧(氧)化物结构类型不同.多酸是由高氧化态的Mo^Ⅵ/Ⅴ,W^Ⅵ/Ⅴ,V^Ⅴ/Ⅳ,Nb^Ⅴ和Ta^Ⅴ等组成的金属-氧簇.多酸尺寸介于分子与块体氧化物之间,可以被看作一种具有明确结构的分子氧化物.因此,多酸可用作模型体系从分子水平上探究金属氢氧(氧)化物催化剂的反应机理.此外,多酸已被证明是很有前景的非贵金属水氧化催化剂.对于OER,酸性介质更具优势,因为它与碱性介质相比具有高能效、低欧姆损耗、易于产物分离等优点.但是,非贵金属OER电催化剂在酸性介质中很难稳定且性能通常不如贵金属催化剂.制备酸性介质中高效和稳定的非贵金属OE...     

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。     

钴铁双金属氧化物多孔纳米棒的制备及其电解水析氧性能

通过简单的钴铁前躯体热分解法制备了系列一维Co_(1-x)Fe_xO_y(0≤x≤1)多孔纳米材料,并在1 mol·L~(-1) KOH溶液中研究了其电解水析氧催化性能。研究发现不同Fe掺杂量对材料的结构与电解水析氧催化性能有较大的影响,其中16%(n/n)Fe掺杂量的Co_(1-x)Fe_xO_y具有最优的析氧催化性能。在10 m A·cm~(-2)电流密度下其析氧过电位为345 mV,塔菲尔斜率为54 mV·dec~(-1),并表现出优异的析氧稳定性能。廉价、高效的Co_(1-x)Fe_xO_y多孔纳米棒材料有望成为优良的析氧催化剂用于电解水制氢。     

钴铁双金属氧化物多孔纳米棒的制备及其电解水析氧性能

通过简单的钴铁前躯体热分解法制备了系列一维Co_1-xFe_xO_y（0≤x≤1）多孔纳米材料,并在1 mol·L^-1 KOH溶液中研究了其电解水析氧催化性能。研究发现不同Fe掺杂量对材料的结构与电解水析氧催化性能有较大的影响,其中16%（n/n）Fe掺杂量的Co_1-xFe_xO_y具有最优的析氧催化性能。在10 mA·cm^-2电流密度下其析氧过电位为345 mV,塔菲尔斜率为54 mV·dec^-1,并表现出优异的析氧稳定性能。廉价、高效的Co_1-xFe_xO_y多孔纳米棒材料有望成为优良的析氧催化剂用于电解水制氢。     

氧还原和析氧反应的双功能电催化剂--氮磷共掺碳负载四氧化三钴

金属-空气电池具备诸多优势,譬如绿色环保、能量转化率高、启动快速、能量密度高、使用寿命和干态存储时间长等.与燃料电池相比,金属-空气电池结构简单,放电电压平稳,成本低,但依然存在一些制约发展的问题,如阴极催化剂.阴极催化剂在金属-空气电池中发挥催化氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)和析氧反应(oxygen evolution reac-tion, OER)的关键作用.铂及其合金常用作 ORR的单功能催化剂,而钌和铱等是目前 OER催化效率最高的,但 ORR活性很低,因此需要开发出一种廉价而又具备双功能催化作用的催化剂.单异原子掺杂的碳基催化剂的研究集中在 ORR催化性能上,而多异原子共掺碳最近有研究表明具有双催化氧的性质,如氮磷共掺碳.在这些氮磷共掺的碳架中,氮磷共掺物起着 OER催化作用,掺氮物为 ORR催化的活性位点,而掺磷物起着强化作用.异原子掺杂负载的钴基催化剂(如掺氮还原氧化石墨烯载 Co3O4)是近年来双功能催化剂研究的另一个热点.钴基催化剂有着催化 ORR和 OER的多价价态,然而其本身导电性能差,这一缺陷可通过杂化石墨化碳来弥补,石墨化碳有着优良的导电性能.据我们所知,目前仍没有关于氮磷共掺碳负载的 Co3O4双催化氧的研究.我们合成了氮磷共掺碳(NPC)负载的 Co3O4(Co3O4/NPC),并首次探索了其氧还原和析氧性能. Co3O4/NPC合成分两步进行.首先通过三聚氰胺与植酸之间的酯化或缩聚覆盖在导电炭黑颗粒表面,在保护气氛下焙烧得到 NPC,然后经溶剂热反应以及空气中氧化合成 Co3O4/NPC.催化剂的性能综合考虑了催化活性和稳定性两方面.采用线性扫描伏安法评估了 OER和 ORR的催化活性.对于 OER, Co3O4/NPC的起始电势是0.54 V (以饱和甘汞电极为参比电极),在0.80 V时电流密度达到21.95 mA/cm2,均优于 Co3O4/C和 NPC. Co3O4/NPC的高效 OER催化可归因于氮磷共掺物与 Co3O4之间的协同作用.对于 ORR, Co3O4/NPC的催化效率与商用 Pt/C相近,它们的扩散极限电流密度分别为–4.49和–4.76 mA/cm2(E =–0.80 V).在 ORR过程中, Co3O4起到主要的催化作用.采用计时电流(电流-时间)法评估了催化剂的稳定性.经6 h测定,对于 OER, Co3O4/NPC剩46%电流;而对于 ORR,剩95%电流.整体而言, Co3O4/NPC在 OER和 ORR中都表现出高的催化效率以及良好的稳定性.     

硼、磷共掺杂铁钴双金属材料的制备及其电催化析氧性能

采用一步水热法合成了硼、磷共掺杂铁钴材料(Fe-Co-B-P)。借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等技术对所合成材料的形貌、结构和组成进行表征。利用线性扫描伏安(LSV)、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)等技术研究材料电化学析氧反应(OER)性能。结果表明，Fe-Co-B-P表面疏松且粗糙，颗粒间有许多空隙。在电流密度为10和100 mA·cm^-2时，其过电势分别为278和309 mV，Tafel斜率为24 mV·dec^-1，说明该材料具有较优的电催化析氧性能。其在连续进行10 h的计时电位测试过程中，电势基本保持在1.55 V (vs RHE)，表明该催化剂具有较好的电化学稳定性。这是由于铁钴双金属与硼、磷非金属之间的协同作用促进了电子的传递。     

硼、磷共掺杂铁钴双金属材料的制备及其电催化析氧性能

采用一步水热法合成了硼、磷共掺杂铁钴材料(Fe-Co-B-P)。借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等技术对所合成材料的形貌、结构和组成进行表征。利用线性扫描伏安(LSV)、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)等技术研究材料电化学析氧反应(OER)性能。结果表明,Fe-Co-B-P表面疏松且粗糙,颗粒间有许多空隙。在电流密度为10和100 mA·cm^-2时,其过电势分别为278和309 mV,Tafel斜率为24 mV·dec^-1,说明该材料具有较优的电催化析氧性能。其在连续进行10 h的计时电位测试过程中,电势基本保持在1.55 V(vs RHE),表明该催化剂具有较好的电化学稳定性。这是由于铁钴双金属与硼、磷非金属之间的协同作用促进了电子的传递。     

钴铁水滑石基材料在电催化析氧中的应用

析氧反应(OER)是电催化裂解水、二次金属-空气电池和可再生燃料电池等绿色可持续能源储存和转化技术中的关键步骤,但其较高的势垒和迟滞的动力学过程限制了反应的效率。因此,设计开发高效、稳定的非贵金属催化剂是新能源领域面临的挑战之一。钴铁水滑石(CoFe LDH)材料具有独特的二维层状结构、丰富多变的化学组成、高分散的金属阳离子、优异的稳定性和成本低廉等优点,在OER反应中有广泛的应用前景。但不良的导电性和有限的活性位点阻碍了CoFe LDH的工业化应用。本文首先介绍了CoFe LDH的结构并阐述了其OER反应机理,接着总结了CoFe LDH的制备工艺,并详细综述了近年来提升其OER性能的改性策略：插层剥离、空位制造、材料复合、离子取代和衍生物等。最后讨论了水滑石材料现阶段存在的问题和未来在能源转化和利用领域的发展方向。     

铱基催化剂在酸性析氧反应中的研究进展

降低对化石能源依赖,实现无碳能源需要构建以可再生能源(如太阳能、风能等)为主体的能源框架.氢气是无碳能源框架下的一种较为理想的能源载体,而电解水制氢技术能够有效制备环境友好的高纯氢气.其中,质子交换膜基(PEM)电解水技术相较碱性电解技术能够实现更高的质子导电性、电解效率、响应速度以及产物气体分离能力,展现出较高的应用...     

Spin polarisation in dual catalysts for the oxygen evolution and reduction reactions

Strongly correlated catalysts can be understood from precise quantum approximations. Incorporating properly electronic correlations thus let’s define Spin rules in catalysis, opening a new door towards optimum compositions for the most important reactions for a sustainable future.     

金属-有机框架原位转化合成无定形Fe基双金属氢氧化物催化剂催化析氧反应性能

传统化石能源的大量消耗使得能源短缺和环境污染等问题日益严峻.社会的可持续发展需要进行能源结构调整,寻求清洁、可再生的替代能源已迫在眉睫.氢能作为一种可再生能源,其热值高,燃烧产物无污染,是未来最理想的能源形式之一.水裂解制氢是公认的未来清洁制氢的一种有效途径.然而,无论是电催化或光催化水裂解反应,析氧反应都是关键的半反...     

Recent advances in energy chemistry of precious-metal-free catalysts for oxygen electrocatalysis

The rational design and effective construction of precious-metal-free materials for OER and ORR, respectively, are reviewed in the respects of electronic structure regulation, nanostructure tailor, and freestanding electrode fabrication. This affords fresh concepts for oxygen electrocatalysis and is also enlightening for other energy catalysis with targeted optimization.     

无模板合成微米管状Co3O4基复合材料高效催化电解水析氧反应

电解水制氢因具有清洁高效的优点而被认为是大规模生产氢能最有希望的技术之一.然而,电解水半反应之一的析氧反应(OER)需经历复杂且动力学缓慢的4电子转移过程.加之热力学上的阻碍,OER实际需要的电位远大于1.23 V的理论值,导致其能耗高,限制了电解水的效率和商业化应用.因此,亟待开发高效的OER电催化剂.管状结构具有较高的比表面积、充分暴露的活性位点和丰富的短路径扩散通道,是一种理想的电催化结构.同时,Co3O4基材料因其制备容易、成本低和OER电催化学活性较高等特点,成为近年来电催化材料的研究热点.此外,非金属元素P的掺杂条件温和,并且可以有效改变过渡金属电子结构.因此,本文通过合理设计管状的Co3O4基电催化剂并进行P掺杂,尝试将形貌调控和元素改性的优势发挥到最大.为了解析影响生成管状结构的因素,本文通过控制变量法系统地研究了管状Ni/Co3O4的制备条件,包括阳离子种类和含量、添加剂种类和含量、阴离子种类等对催化剂形貌和性能的影响.表征结果表明,初始的乙酸钴镍氢氧化物棱柱对反应环境较为敏感,从而成为直接影响最终微米管状结构的关键因素.此外,对Ni/Co3O4微米管进行适量的P掺杂,能提高材料的电子传输性能和优化材料的电子结构;而且P的掺杂直接提高了样品中的M3+/M2+比例(M代表Co和Ni),而M3+是M基电催化材料的活性位点,这进一步增加了OER的活性位点进而提高其催化活性.总之,通过结构和成分的优化,得到了OER催化性能显著提高的微米管状P-Ni/Co3O4,其性能甚至超过了商业化RuO2电催化剂.     

Manipulating and probing the structural self-optimization in oxygen evolution reaction catalysts

The electrochemical oxygen evolution reaction (OER) has aroused tremendous attention because it involves some significant energy conversion and storage processes at key elementary stages. Actually, the genesis of structural changes in electrochemical catalysts during the reaction process is often actively influenced by both intrinsic factors and various environmental fields. In this short review, we summarized the latest advances in the structural self-reconstruction of OER electrocatalysts, with a focus on the strategies in rationally driving reconstruction as well as the in situ capturing process, through the combination of synchrotron radiation–based multitechniques. Moreover, extensive efforts are encouraged to precisely manipulate the OER catalyst's self-optimization process, with capability to accelerate their high potential for various practical applications.     

金属-氧共价性增强的缺陷态高熵岩盐型氧化物用于电催化析氧

高熵材料可以在单一晶相中引入五种或五种以上元素以优化电子结构和配位环境,可作为一类新兴的电催化剂.本文制备了一种岩盐型高熵氧化物Mg0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2O(HEO)用于催化氧析出反应(OER).由于相邻的不同金属离子晶格失配,所制备的HEO具有丰富的缺陷.此外,电负性更小的Mg和Zn元素的存在...     

碱性介质中碳纳米管FeNi复合物上电催化析氧反应(英文)

Non-noble metals such as Fe and Ni have comparable electrocatalytic activity and stability to that of Ir and Ru in an oxygen evolution reaction (OER). In this study, we synthesized carbon nanofibers with embedded FeNi composites (FeNi-CNFs) as OER electrocatalysts by a facile route comprising electrospinning and the pyrolysis of a mixture of metal precursors and a polymer solution. FeNi-CNFs demonstrated catalytic activity and stability that were better than that of 20 wt% Ir on Vulcan carbon black in oxidizing water to produce oxygen in an alkaline media. Physicochemical and electrochemical characterization revealed that Fe and Ni had synergistic roles that enhanced OER activity by the uniform formation and widening of pores in the carbon structure, while the CNF matrix also contributed to the increased stability of the catalyst.     

A novel ball-in-ball hollow oxygen-incorporating cobalt sulfide spheres as high-efficient electrocatalyst for oxygen evolution reaction

Transition-metal chalcogenides with hollow nanostructure,especially cobalt sulfides,are considered as the most pro mising non-precious metal catalysts for oxygen evolution reactio n.However,it is difficult to synthesize oxygen-containing cobalt sulphides with hollow structure due to the different physical/chemical properties between metal sulfides and metal cobalts.Herein,we report a novel oxygencontaining amorphous cobalt sulfide ball-in-ball hollow sphere s(Co-S-O BBHS) synthesized by an anion exchange method.Taking advantage of the ball-in-ball hollow structure,the amorphous Co-S-O BBHS shows supe rior oxygen evolution reaction(OER) electrocatalytic performance with a low overpotentiat of285 mV at 10 mA/cm~2,small Tafel slope of 49.67 mV/dec,high Faraday efficiency of 96%,and satisfied durability.Experiments and DFT calculations demonstrate that the introduction of oxygen and sulfur modulates the electronic structure of Co-S-O BBHS,thus enhancing the adsorption of *0(adsorbed 0 species on catalyst surface) intermediate,which greatly boosts the catalytic activity towards OER.This work provides a new strategy for controllable synthe sis of complex hollow structures of transition-metal chalcogenides for OER.     

三维百合花状的CoNi2S4作为先进的双功能电催化剂用于氢析出和氧析出反应

为简化电解水催化剂的合成过程和优化电解水操作系统, 双功能电解水催化剂的研究, 特别是在碱性条件下同时具有优异催化氢析出和氧析出反应性能的双功能电催化剂的研究尤为重要. 其中, 过渡金属硫化物, 特别是 CoNi 硫化物, 被报道有与氢化酶类似的催化活性中心, 从而具有优异的催化氢析出和催化氧析出反应性能. 虽然有关对过渡金属硫化物的研究很多, 但主要集中在具有一维纳米线和二维纳米片形貌结构的过渡金属硫化物. 不幸的是, 这些形貌结构的过渡金属硫化物在电催化过程中容易聚集和受限于电荷传输能力. 三维纳米结构的材料具有较大的比表面积以分布更多的活性位点和拥有良好的电子传输能力, 所以, 开发三维纳米结构的过渡金属硫化物材料可能是改进其催化电解水性能的一个好途径. 本文采用简单的两步水热法, 通过硫化合成的 CoNi 前体得到了长于泡沫镍上的三维百合花状的 CoNi2S4(Co-Ni2S4/Ni). 它只需要 54 mV 的过电位即可获得 10 mA cm-2的催化氢析出反应电流, 是最好的碱性催化氢析出反应电极材料之一. 它在驱动 100 mA cm-2的催化氧析出反应电流时也只需要 328 mV 的过电位. 另外, 把 CoNi2S4/Ni 分别作为阴极和阳极组装成双电极碱性水电解槽时, 它只需要 1.56 V 的电压即可获取 10 mA cm-2的催化全电解水电流并具有良好的催化全电解水稳定性.扫描电子显微镜、透射电子显微镜和 N2吸脱附曲线测试结果表明, 该三维百合花状的 CoNi2S4/Ni 的表面粗糙度高和拥有多孔特性. 多孔结构的 CoNi2S4/Ni 可提供更多可接触的催化活性位点, 也有利于催化过程中的电解质和生成的气体的扩散与传递. 交流阻抗图谱测试结果表明, CoNi2S4/Ni 具有良好的电子传输能力. 另外, 不同于前期对尖晶石结构的硫化物 AB2S4的研究结果, XPS 结果表明, CoNi2S4/Ni 中含有 Niб+和 Sб-活性物种, 表明 CoNi2S4具有与活性氢化酶类似的活 性中心. Niδ+和 Sδ-可分别作为氢氧根和质子的接收体, 协助促进吸附的水分子的分离, 从而提高材料的催化性能. 所以, Niδ+和 Sδ-活性物种的出现, 大比表面积的三维百合花状多孔结构和良好的电荷传输能力等特性集合于 CoNi2S4/Ni 上使得CoNi2S4/Ni 具有优异的催化氢析出和催化氧析出反应性能.