北京化工大学 孙晓明&潘军青Adv. Energy Mater.：三元水滑石/N-GO双功能ORR-OER催化剂

【引言】

氧还原反应(Oxygen reduction reaction, ORR)和氧析出反应(Oxygen evolution reaction, OER)在储能及能源转换领域中扮演着重要角色（例如金属-空气电池、燃料电池及电解水等）。然而，目前应用于催化ORR和OER的商业化贵金属催化剂（Pt、Ir等）存在着价格昂贵及稳定性差的问题，严重限制了上述领域的发展。因此，开发出廉价、同时具有ORR和OER性能的双功能催化剂迫在眉睫。

【成果简介】

近日，北京化工大学孙晓明教授和潘军青教授（共同通讯作者）带领的团队提出一种制备高效双功能催化剂的新策略。在该工作中，研究人员利用原位生长的方法，实现了镍-钴-铁三元水滑石材料（Ni₂Co^IIIFe-LDH）于氮掺杂氧化石墨烯（N-GO）上的垂直生长。不同于之前报道中水滑石材料平行于氧化石墨烯的生长方式，垂直生长的水滑石材料赋予了复合材料（Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO）独特的纳米阵列结构。得益于这种独特的结构，复合材料可以充分地暴露出活性位点，促进了OER过程中氢氧根的渗透和氧气的析出以及ORR过程中氧气的扩散。此外，三价Co的存在调节了复合材料的电荷密度，进一步助力了材料的催化性能。活性位点的有效暴露及高效的电荷传输赋予了复合材料可媲美于Pt、Ir的催化性能，在OER和ORR过程中分别呈现出1.41 V和0.88 V的起始电位。另外，ORR和OER间0.769 V的过电压进一步证明该复合材料是一种极具应用潜力的OER-ORR双功能催化材料。该成果以题为“NiCoFe-Layered Double Hydroxides/N-Doped Graphene Oxide Array Colloid Composite as an Efficient Bifunctional Catalyst for Oxygen Electrocatalytic Reactions”发表在Adv. Energ. Mater.上。

【图文导读】

图1.N-GO上原位生长LDH纳米片示意图

图2.材料结构相关表征

a)Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO, Ni₂CoFe-LDH及GO的XRD谱图

b)Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO, Ni₂CoFe-LDH及GO的拉曼光谱

e)Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO, Ni₂CoFe-LDH+GO及Ni₂CoFe-LDH的N₂吸/脱附等温线

图3.材料形貌相关表征

a)N-GO, b)NiCoFe-LDH, c)Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO的SEM形貌

d-f)Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO的TEM形貌

图4.材料OER/ORR性能测试

a)Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO, Ni₂CoFe-LDH+GO, Ni₂CoFe-LDH, Ir/C及 Pt/C-20%在1600rmp下的ORR和OER LSV曲线

b)本工作中的Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO与之前报道的材料在ORR、OER催化性能及ORR和OER间过电压方面的比较

c)所有样品的OER及d)ORR 塔菲尔斜率

图5.材料组分及元素分析

Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO and Ni₂CoFe-LDH材料中a)Ni, b)Fe, c)Co元素分析

【结论】

研究人员利用原位生长的手段，实现了镍钴铁三元水滑石材料在N-GO上的垂直生长，获得了具有纳米阵列结构的复合材料。Ni₂Co^IIIFe-LDH和N-GO间的协同效应赋予了复合材料有效的活性位点和快速的电子传输速率，使其展现出高效的OER/ORR双催化性能。研究结果表明，Ni₂Co^IIIFe-LDH/N-GO的OER催化活性超过Ir/C-20%，且其ORR催化活性接近于Pt/C-20%。此外，材料呈现出目前报道最低的OER和ORR间过电压(0.769V）及优异的催化持久性（30000s)。该工作所提出的材料结构及化学设计理念为储能及能源转化领域中高效多功能催化剂的开发提供了有力借鉴。

文献链接：NiCoFe-Layered Double Hydroxides/N-Doped Graphene Oxide Array Colloid Composite as an Efficient Bifunctional Catalyst for Oxygen Electrocatalytic Reactions (Adv. Energ. Mater. ,2017, DOI: 10.1002/aenm.201701905)

本文由材料人编辑部新能源组牛越整理编译，点我加入材料人编辑部。

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