武汉理工大学麦立强教授EEM ：用于实现高效氧气释放的具有中等金属-氧共价键的超薄金属硅酸盐氢氧化物纳米片

youyoucao 2年前 (2021-12-09) 2669浏览

近日，武汉理工大学麦立强教授团队在Energy & Environmental Materials上发表题为"Ultrathin Metal Silicate Hydroxide Nanosheets with Moderate Metal-Oxygen Covalency Enables Efficient Oxygen Evolution."的研究论文。第一作者为博士生朱杰鑫，通讯作者为德国不来梅大学Lyudmila V. Moskaleva教授和武汉理工大学周亮教授、麦立强教授。作者以超薄层状硅酸盐M3Si2O5(OH)4为研究对象，探索了其电化学析氧（OER）活性规律以及活性描述符。通过电化学测试发现三种典型过渡金属（Fe、Co、Ni）层状硅酸盐呈现出的OER活性规律为Co基>Fe基>Ni基。结合理论和实验分析，作者认为层状硅酸盐的OER活性由金属–氧的共价键强度（MOC）决定，当MOC强度适中（既不太强也不太弱时），活性位点对反应物的吸附符合萨巴蒂尔规律，达到优化的吸附能力，呈现出更佳的活性。

引言

析氧反应（OER）因其较慢的动力学和较大的过电势阻碍了电解水的进一步发展。目前常用的电催化剂为RuO2和IrO2等贵金属氧化物，但其高昂的价格和低储量难以实现电解水的大规模推广。层状硅酸盐在地壳中储量丰富，且其结构与羟基氧化物十分类似，而CoOOH、FeOOH等羟基氧化物已被广泛用于OER电催化剂研究，并且表现出优异的活性。因此，层状硅酸盐理论上也具有较好的OER活性。然而，对影响层状硅酸盐OER活性的主要因素（即描述符）的研究缺失，阻碍了我们对OER催化剂的理性选择和设计。
本文研究

本工作中，作者结合理论和实验揭示了层状硅酸盐OER催化活性和电子结构间的构效关系。作者首先通过简单的水热法合成了Fe、Co、Ni基三种层状硅酸盐纳米片，因其晶体结构和形貌类似，可用于研究其本征活性。在三种层状硅酸盐中，Co基硅酸盐表现出最佳的OER活性，达到1和10 mA cm–2的电流密度仅需要287和358 mV的过电势。通过变温磁化率实验发现Co基硅酸盐具有较为合适的eg轨道填充度以及合适的[3dz2/2p]和[3dx2-y2/2p]态密度比例，因此具有较为合适的MOC。通过对一系列尖晶石型氧化物的eg轨道电子数分析发现，层状硅酸盐的OER活性与eg轨道电子数也呈现火山图相关性，在eg轨道电子数大约为1.2时具有最佳的MOC，从而表现出更优异的OER活性。该工作对层状硅酸盐在OER中的应用具有重要的指导作用。

图文简介

 

图1. a）层状硅酸盐的晶体结构图；b）硅酸钴的高分辨TEM图；c）硅酸钴的EDX mapping图；d-e）硅酸钴的AFM图；f）硅酸钴的TEM图和丁达尔效应光学照片。

图2. 三种硅酸盐的OER性能。a）LSV曲线；b）Tafel斜率；c）比表面积较正后的活性图以及TOF；d）ECSA分析；e）过电势、Tafel斜率以及TOF比较；f）稳定性。

图3. a）变温磁化率图；b）从变温磁化率计算所得的有效磁矩和eg轨道电子数；c）Co2+、Fe2+、Ni2+的分子轨道电子占位示意图；d）三种硅酸盐与一系列尖晶石型氧化物的eg轨道电子数和OER活性的关系。

图4. a）金属3dz2-band、M 3dx2-y2-band和O p-band的PDOS图；b）三种硅酸盐的[3dz2]/[2p]和[3dx2-y2/2p] 比例；c）在10 μA cm−2处的ir校正电势与硅酸盐的[3dz2]/[2p]比例关系图；d）O-K边XAS图以及prepeak的归一化强度与O p带中心到费米能级距离的关系图；e）O2-TPD图；f-h）原位拉曼图。

文章链接

Jiexin Zhu, Shikun Li, Zechao Zhuang, Shan Gao, Xufeng Hong, Xuelei Pan, Ruohan Yu, Liang Zhou*, Lyudmila V Moskaleva*, Liqiang Mai*. Ultrathin Metal Silicate Hydroxide Nanosheets with Moderate Metal-Oxygen Covalency Enables Efficient Oxygen Evolution. Energy Environ. Mater. 2021. DOI: 10.1002/eem2.12155.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12155

作者简介

 

麦立强，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，英国皇家化学学会会士，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在美国佐治亚理工学院（2006-2007）、哈佛大学（2008-2011）、加州大学伯克利分校（2017）从事博士后、高级研究学者研究。2014年获国家杰出青年科学基金资助，2016年入选教育部长江学者特聘教授和国家“万人计划”领军人才。

主要研究方向为纳米储能材料与器件。构筑了国际上第一个单根纳米线固态储能器件，创建了原位表征材料电化学过程的普适新模型，率先实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备和应用。发表SCI论文380篇，以第一或通讯作者发表Nature 1篇，Nature子刊9篇。获国家自然科学奖二等奖（第一完成人）、何梁何利基金科学与技术创新奖（青年奖）、科睿唯安全球高被引科学家、教育部自然科学一等奖（第一完成人）、英国皇家化学会中国高被引作者、中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学一等奖（第一完成人）、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。任J. Energy Storage副主编，Adv. Mater.、Chem. Rev.客座编辑，Acc. Chem. Res.、Joule、ACS Energy Lett.、Adv. Electron. Mater.、Small国际编委，Nano Res.、Sci. China Mater.编委。

本文由EEM期刊投稿。

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