电解水对制备可持续和清洁的氢气能源至关重要。电解水的阳极析氧反应设计复杂的4-电子转移过程,所需能耗较高,是电解水的速控步骤。催化剂对于析氧反应的进行具有重要作用。镍铁水滑石是最具潜力的碱性非贵金属析氧反应(OER)催化剂,但是由于水滑石导电性差、活性位点暴露不充分、对反应中间体吸附较弱等问题,催化活性还需要进一步提高。如何提升催化活性已经被科学家们广泛关注,比如:制造缺陷、掺杂、将水滑石剥离为单层结构和组装为阵列结构等。在本论文中,通过简单的“一锅法”醇解合成了一系列不同量W掺杂NiFe-LDH的样品。XRD结果表明合成的NiFeW-LDH的衍射峰与完美NiFe-LDH标准卡片相同,没有其他的衍射峰,表明W没有单独成相,被成功掺杂进入NiFe-LDH。扫描电镜表明NiFeW-LDH为纳米片(尺寸约为~500 nm)组成的3d立体花状结构,且材料中Ni、Fe和W均匀分布。XPS表明材料中W的价态为6+,与未掺杂的NiFe-LDH相比,Fe向高价态移动,表面吸附的OH增多。在密度泛函理论(DFT)计算中,结果同样表明W6+掺杂有利于H2O和O*中间体的吸附,提高了Fe位点的活性。在1 mol∙L^(−1) KOH中,NiFeW-LDH达到10 mA·cm^(−2)所需过电位是199和237 mV,这比大多数的NiFe基粉末催化剂的性能好。综上,实验和计算表明W掺杂调控催化剂中Fe位点电子结构,优化对反应中间体的吸附,使催化剂具有更高活性。
段欣漩;Marshet Getaye Sendeku;张道明;周道金;徐立军;高学庆;陈爱兵;邝允;孙晓明;
北京化工大学,化工资源有效利用国家重点实验室,北京软物质科学与工程高精尖创新中心,北京100029清华大学深圳研究院,海洋氢能研发中心,广东深圳518071中核战略规划研究总院,北京100048新疆工程学院,新疆煤矿机电工程技术研究中心,乌鲁木齐830023河北科技大学化学与制药工程学院,石家庄050018
化学
析氧反应;水滑石;钨掺杂;电子相互作用;电催化
《物理化学学报》 2024 (001)
P.44-45 / 2
国家重点研发计划项目(2021YFA1502200);国家自然科学基金项目(21935001,22075013,22179029);北京市自然科学重点基金项目(Z210016);河北省科技计划项目(21344601D);中央高校基本科研业务费专项资金资助。
10.3866/PKU.WHXB202303055
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