Adv. Mater. 一种提高水裂解电催化剂性能的通用设计策略！

踏浪 6年前 (2018-10-04) 5676浏览

【引言】

开发具有非凡质量活性和稳定性的高效双功能电极是水裂解研究过程中永恒且极具挑战性的目标。电催化过程中的催化剂的表面重建可以形成不寻常的原位非晶相的新鲜电催化剂，这些催化剂往往更加活跃，但是难以通过常规方法制备。如果将这种催化剂表面重建的策略用于开发基于钙钛矿的水分解新电极材料，将极具吸引力。同时，这一过程还伴随着若干挑战。首先，重建速率应该足够快；其次，重建的电催化剂的电荷转移是一个很大的问题，因为大多数钙钛矿氧化物在室温下是不良的电导体，这可能显着地延迟电极反应动力学（OER或HER）；第三，晶体钙钛矿氧化物通常在高温下制备，是具有良好烧结的块体，导致其低的比表面积。因此，即使在表面重建之后，钙钛矿氧化物的质量活性也确实很低。如何克服这些挑战，且看下文。

【成果简介】

近日，南京工业大学的Gao Chen（第一作者）在邵宗平教授和周嵬教授（通讯作者）的指导下，在国际顶级期刊Adv. Mater.上发表了文章：A Universal Strategy to Design Superior Water-Splitting Electrocatalysts Based on Fast In Situ Reconstruction of Amorphous Nanoflm Precursors。本文中，作者们提出了一种基于快速构造无定形纳米薄膜前体的简便策略，用于探索具有良好电子传导性，超高活性和稳健性的无贵金属催化剂。作为这种概念的实际证明，研究团队利用高能氩合成了沉积在导电镍泡沫（NF）基板（SCFP-NF）上的具有弱化学键的非晶SrCo0.85Fe0.1P0.05O3-δ（SCFP）纳米薄膜前体。使用等离子体破坏晶体SCFP靶中的强化学键。快速重建的SCFP-NF双功能催化剂在550mV的过电位下具有高达1000 mA mg-1的超高质量活性，在10 mA cm-2下具有极好的稳定性，最长可达650 h，显着地超过了贵金属催化剂。这种策略还被进一步证明是一种通用方法，可用于加速其他材料系统的重建，以获得各种有效的电催化剂。

【图文导读】

图1. SCFP-NF催化剂的表面形态。

a，b）比例尺分别为20和200nm。无定形SCFP样品的TEM图像。c，d）比例尺分别为10和200nm。图（c）的插图是无定形SCFP样品的SAED图案（比例尺为51nm-1）。e-i）无定形SCFP样品的EDX图像（比例尺为50nm）。

图2. 催化剂的催化性能。

a）NF底物，SCF-NF，SCFP-NF和RuOx-NF样品的OER活性。b）NF底物，SCF-NF，SCFP-NF和Pt-NF样品的HER活性。c，d）SCER-NF和对照样品对OER（c）和HER（d）的稳定性试验。

 图3. 催化剂形貌与元素化学态分析。

a，b）在OER（a）和HER（b）之后，在10和-10mA cm-2的电流密度下2分钟的SCFP-NF的SEM图像。比例尺分别为200nm和1μm。c，d）在OER的第一个LSV之前和之后的Co（c）和Fe（d）的XAS光谱。e，f）在HER的第一个LSV之前和之后的Co（e）和Fe（f）的XAS光谱。

 图4. 催化剂质量活性对比。

a，b）OER（a）和HER（b）的晶体粉末与NF支持的纳米膜之间0.35V过电位的质量活性的比较。

图5. 材料的水裂解活性与稳定性。

a）几何区域活动和b）双功能SCFP-NF催化剂和Pt-NF偶联RuOx-NF催化剂的水分解的质量活性。c）在10mA cm-2的恒定电流密度下的水分解的稳定性试验。

【小结】

本文证明了通过等离子体溅射导致电催化剂中非晶纳米薄膜的形成，并且破坏钙钛矿晶格中的化学键是电极材料快速重建的一个通用方式，这一方法可以使材料的电催化活性显着提高。研究指出材料的元素组成，初始晶体结构和结构稳定性对这种活化电催化剂性能的方法影响很小。然而，材料的组成元素确实对重建电极的形态以及其电催化活性具有一定的影响。无定形SCFP-NF催化剂显示出1000 mA mg-1的质量活性和650 h的水分解操作稳定性，这优于现有技术的RuOx-NF偶联Pt-NF电极，代表着水裂解的重大突破。这种简便的重建策略有望为其他先进的能量转换和存储设备所用，来开发新型的高效催化剂。

 文章链接：A Universal Strategy to Design Superior Water-Splitting Electrocatalysts Based on Fast In Situ Reconstruction of Amorphous Nanoflm Precursors. (Adv. Mater. 2018, 1804333)

 本文由材料人编辑部金属材料学术组 艾超 供稿，材料牛编辑整理。

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