四毛&八毛 微算云平臺(tái) 2024年10月01日 08:18 廣東
成果介紹
同時(shí)活化金屬和晶格氧位點(diǎn)，通過提供高可用性的活性位點(diǎn)和介導(dǎo)催化活性/穩(wěn)定性來構(gòu)建兼容的多機(jī)制催化劑，有望用于析氧反應(yīng)(OER)，但仍存在重大挑戰(zhàn)。
武漢理工大學(xué)木士春教授等人在OER過程中對(duì)NiMoO4·xH2O@Fe,S進(jìn)行完全重構(gòu)，得到Fe和S雙調(diào)制的NiFe氫氧化物(R-NiFeOOH@SO4)，并通過原位光譜/質(zhì)譜和化學(xué)探針證實(shí)，在金屬/氧位點(diǎn)同時(shí)優(yōu)化的情況下，實(shí)現(xiàn)了相容的吸附質(zhì)演化機(jī)制和晶格氧氧化機(jī)制。進(jìn)一步的理論分析表明，F(xiàn)e促進(jìn)了吸附質(zhì)演化機(jī)制下的OER動(dòng)力學(xué)，而S激發(fā)了晶格氧氧化機(jī)制下的晶格氧活性，表現(xiàn)為O 2p能帶中心上移、d-d庫侖相互作用放大、金屬-氧鍵減弱、中間吸附自由能優(yōu)化。
得益于兼容的多機(jī)制，R-NiFeOOH@SO4只需要251±5/291±1 mV的過電位就可以在堿性介質(zhì)中獲得100/500 mA cm-2的電流密度，并且具有超過300小時(shí)的穩(wěn)定性能。這項(xiàng)工作為更好地設(shè)計(jì)高性能OER催化劑提供了理解OER機(jī)理的見解。
相關(guān)工作以《Fe-S dually modulated adsorbate evolution and lattice oxygen compatible mechanism for water oxidation》為題在《Nature Communications》上發(fā)表論文。
值得注意的是，該工作受到了三位審稿人的一致認(rèn)可！無論是所提出的新概念，還是論文所提供的證據(jù)、結(jié)論都能夠清晰有力地令人信服。
眾所周知，吸附質(zhì)演化機(jī)制(AEM)和晶格氧氧化機(jī)制(LOM)是常見的OER機(jī)制，目前更多的研究主要集中在如何操縱催化劑活性位點(diǎn)以改善、促進(jìn)這兩種機(jī)制，改善催化性能。該研究論文創(chuàng)新地提出了AEM與LOM相容于一個(gè)催化劑上，獲得了驚人的效果！
圖文導(dǎo)讀
圖1 催化劑的制備與結(jié)構(gòu)
通過化學(xué)蝕刻和原位電化學(xué)自重構(gòu)工藝合成了SO42-修飾的NiFe氫氧化物(R-NiFeOOH@SO4)，如圖1a所示。首先，通過水熱反應(yīng)在泡沫鎳(NF)襯底上生長(zhǎng)NiMoO4水合物(NiMoO4.xH2O)納米棒(圖1b)，然后將其作為模板在化學(xué)蝕刻過程中引入Fe和S物質(zhì)。得到的表面粗糙的NiMoO4.xH2O@Fe,S預(yù)催化劑仍主要表現(xiàn)為NiMoO4.xH2O晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度減弱(圖1c)。然后，通過陽極循環(huán)伏安法(CV)活化合成R-NiFeOOH@SO4，去除NiMoO4.xH2O自犧牲模板。據(jù)此，通過NiMoO4.xH2O和NiMoO4.xH2O@Fe陽極活化得到R-NiOOH和R-NiFeOOH作為對(duì)照樣品。
FESEM和TEM圖像顯示，所有催化劑都繼承了初始的納米棒結(jié)構(gòu)(圖1d、e)，R-NiFeOOH@SO4在表面表現(xiàn)出明顯的顆粒細(xì)化。活化后，R-NiFeOOH@SO4的BET表面積增加。HRTEM圖像(圖1f)揭示了NiMoO4?xH2O納米線的高結(jié)晶度，而NiMoO4.xH2O@Fe,S(圖1g)和NiMoO4?xH2O@Fe存在明顯的表面非晶化和更多的晶格缺陷，進(jìn)一步證實(shí)了蝕刻導(dǎo)致的結(jié)晶度下降，這更有利于OER重構(gòu)。在陽極CV活化后，HRTEM圖像中幾乎看不到屬于初始NiMoO4.xH2O的晶格間距(圖1h)，晶格間距0.208和0.240 nm分別對(duì)應(yīng)于NiOOH(210)和(011)晶面，確定了NiMoO4.xH2O模板成功轉(zhuǎn)化為NiOOH活性物。此外，EDS(圖1i)證實(shí)了所有催化劑中Mo元素幾乎完全去除，而Ni、Fe、S和O元素均勻分布在R-NiFeOOH@SO4的整個(gè)納米棒區(qū)域。
圖2 催化劑的電子結(jié)構(gòu)與配位結(jié)構(gòu)
本研究利用XPS和XAS進(jìn)一步分析了催化劑的電子結(jié)構(gòu)和配位結(jié)構(gòu)。相對(duì)于NiMoO4.xH2O, NiMoO4.xH2O@Fe和NiMoO4.xH2O@Fe,S的Ni 2p能譜顯著地向較低的結(jié)合能偏移(圖2a)，同時(shí)Mo的3d結(jié)合能也向較高的結(jié)合能偏移，表明電子從Mo遷往Ni位點(diǎn)。CV活化后，所有催化劑的Ni 2p結(jié)合能都出現(xiàn)了異常的負(fù)位移，這應(yīng)該是由于在非原位測(cè)試下，不穩(wěn)定的NiOOH轉(zhuǎn)化為Ni(OH)2。但NiMoO4.xH2O@Fe、S和R-NiFeOOH@SO4之間的負(fù)位移較小(-0.24 eV)，且R-NiFeOOH@SO4的Ni氧化態(tài)高于R-NiOOH和R-NiFeOOH，說明Ni2+的轉(zhuǎn)化率較低，這是由于其更有利的完全重構(gòu)過程。
特別是，在O 1s譜(圖2b)中，衍生化氫氧化氧的金屬-晶格氧(M-O)信號(hào)表現(xiàn)出明顯的正偏移，這表明晶格氧(M-O(2-δ)-)的氧化參與了電化學(xué)活化過程。其中，R-NiFeOOH@SO4的M-O偏移更為顯著(0.4 eV)。同時(shí)，與NiMoO4?xH2O@Fe,S相比，R-NiFeOOH@SO4的氧空位含量由于OH-在電解液中的再填充而降低。此外，R-NiFeOOH@SO4的Fe 2p信號(hào)峰在圖2c中向更高的結(jié)合能移動(dòng)，表明表面Fe物質(zhì)向更高的氧化態(tài)轉(zhuǎn)變，而R-NiFeOOH的Fe 2p結(jié)合能保持穩(wěn)定在+3價(jià)。如圖2d所示，R-NiFeOOH@SO4的S 2p信號(hào)完全轉(zhuǎn)化為氧化S物種，對(duì)應(yīng)于硫酸鹽(SO42-)的特征信號(hào)峰。
Fe、S的引入對(duì)NiMoO4.xH2O的Ni位點(diǎn)電子結(jié)構(gòu)的調(diào)整可以通過Ni的K邊XANES光譜進(jìn)一步證實(shí)。CV活化后，所有催化劑的吸收邊都向低能方向移動(dòng)，其中R-NiFeOOH@SO4的移動(dòng)程度較低，與R-NiOOH和R-NiFeOOH相比，位于能量最高的位置(圖2e)，與XPS分析結(jié)果一致。與NiMoO4.xH2O@Fe相比，F(xiàn)e的K邊XANES(圖2f)在NiMoO4?xH2O@Fe,S中也顯示出較低的平均Fe氧化態(tài)，并在R-NiFeOOH@SO4中向高能量轉(zhuǎn)移。此外，S的K邊XANES光譜證明R-NiFeOOH@SO4中的S物種以SO42-的形式存在，進(jìn)一步揭示了S物種的氧化。
圖3 電催化OER性能
在1 M KOH中，最優(yōu)R-NiFeOOH@SO4只需要251±5 mV的OER過電位就可以實(shí)現(xiàn)100 mA cm-2的電流密度，低于R-NiOOH(367±4 mV)、NiFe-LDH(286±6 mV)和R-NiFeOOH(284±7 mV)(圖3a、b)。特別是R-NiFeOOH@SO4可以在291±1和308±1 mV的過電位下獲得500和1000 mA cm-2的高電流密度。如圖3c所示，它還具有最低的Tafel斜率(56 mV dec-1)和最小的電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)，表明其具有良好的OER動(dòng)力學(xué)和高效的電荷轉(zhuǎn)移。
另一方面，對(duì)于R-NiFeOOH@SO4(圖3d)，在3000次循環(huán)CV掃描前后均未觀察到明顯的衰減，甚至在100和500 mA cm-2下穩(wěn)定運(yùn)行300 h，僅略有衰減(圖3e)，充分說明了OER催化穩(wěn)定性的顯著性。經(jīng)過長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試，通過SEM、TEM、EDX、拉曼和XPS表征，R-NiFeOOH@SO4的納米珊瑚狀結(jié)構(gòu)和組成仍然保持良好，證明了其堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)框架。
圖4 兼容AEM-LOM的OER催化分析
本研究進(jìn)一步探討了R-NiFeOOH@SO4參與的協(xié)同催化機(jī)制和OER活性的來源。在圖4a中，所有催化劑的OER活性都表現(xiàn)出一定程度的pH依賴性，而R-NiFeOOH@SO4的電流密度隨著pH值的降低而下降得更快，這說明晶格氧參與了OER過程。此外，R-NiFeOOH@SO4在1 M TMAOH中表現(xiàn)出明顯的OER活性減弱，這是由于在四烷基銨陽離子(TMA+)的強(qiáng)結(jié)合下抑制了LOM，而它對(duì)R-NiFeOOH和R-NiOOH只有輕微的活性衰減(圖4b)。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證催化劑晶格氧在OER過程中的參與，采用了原位18O同位素標(biāo)記微分電化學(xué)質(zhì)譜(DEMS)方法。催化劑被標(biāo)記18O，以進(jìn)一步檢測(cè)在含有16O的電解質(zhì)中OER過程中O2的釋放。如圖4c所示，所有18O標(biāo)記催化劑的DEMS測(cè)量結(jié)果均呈現(xiàn)m/z=32和m/z=34的信號(hào)，表明16O2和16O18O氣體的生成，證實(shí)了有一個(gè)晶格氧參與了釋放O2。未經(jīng)18O標(biāo)記的R-NiFeOOH@SO4的DEMS結(jié)果只顯示16O16O信號(hào)，沒有檢測(cè)到明顯的16O18O。同時(shí)，與R-NiOOH相比，R-NiFeOOH的16O18O峰面積增大，而其16O18O/16O16O的面積比減小，說明在AEM途徑下，F(xiàn)e調(diào)制對(duì)析氧的貢獻(xiàn)更為顯著。
此外，用18O同位素標(biāo)記的原位拉曼光譜也證實(shí)了晶格氧參與了OER過程。如圖4d-f所示，在氧質(zhì)量對(duì)振動(dòng)模式的影響下，18O標(biāo)記的催化劑明顯向低波數(shù)偏移。在含16O的電解液中，在1.624 V恒定電位下，隨著18O的消耗，18O標(biāo)記催化劑的拉曼峰逐漸移回常規(guī)16O標(biāo)記催化劑的位置，其中R-NiFeOOH@SO4晶格氧釋放更快，拉曼峰在1 min內(nèi)移回。相比之下，R-NiFeOOH和R-NiOOH需要20 min甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能釋放標(biāo)記的18O。這一結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了R-NiFeOOH@SO4在OER過程中更快的晶格氧釋放，揭示了S物種調(diào)制對(duì)晶格氧的有效活化。
圖5 DFT計(jì)算
為了更深入地了解OER協(xié)同機(jī)理與活度優(yōu)化之間的聯(lián)系，進(jìn)一步進(jìn)行了DFT計(jì)算。選擇實(shí)際OER活性物質(zhì)NiOOH、NiFeOOH和NiFeOOH@SO4作為計(jì)算模型。首先，計(jì)算O 2p軌道的態(tài)密度，以反映圖5a中的晶格氧活度。與NiOOH(-2.773 eV)和NiFeOOH(-2.814 eV)相比，NiFeOOH@SO4的O 2p能帶中心(-2.626 eV)相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)(EF)呈上升趨勢(shì)，有利于氧位點(diǎn)電子的移除，揭示了S調(diào)制對(duì)晶格氧的有效活化。
如圖5b所示，計(jì)算得到NiOOH、NiFeOOH和NiFeOOH@SO4的UHB/LHB中心位置分別為1.05/-2.5、1.12/-2.7和1.14/-2.86 eV。NiFeOOH@SO4(4 eV)的d-d庫侖相互作用(U)值大于NiFeOOH(3.82 eV)和NiOOH(3.55 eV)，進(jìn)一步證實(shí)了其有利于晶格氧活化。通過計(jì)算COHP來評(píng)價(jià)金屬-氧鍵的強(qiáng)度。在圖5c中，NiOOH、NiFeOOH和NiFeOOH@SO4的量化Ni-O鍵強(qiáng)度分別為0.752、0.711和0.666。NiFeOOH@SO4較低的-ICOHP值表明Fe,S共調(diào)制誘導(dǎo)更多的電子被填入反鍵軌道，導(dǎo)致Ni-O鍵變?nèi)酰L(zhǎng)了晶格氧的參與，并在LOM途徑中形成氧空位。
在AEM和LOM途徑下，計(jì)算了NiOOH、NiFeOOH和NiFeOOH@SO4的吉布斯吸附自由能圖。在AEM途徑中分別考慮了Ni原子和Fe原子作為吸附位點(diǎn)的吸附自由能。如圖5d所示，在Fe,S共改性下，NiFeOOH@SO4模型在Ni位點(diǎn)上的RDS能壘優(yōu)化為1.92 eV。引入Fe后，*OH在Fe位點(diǎn)的去質(zhì)子能勢(shì)壘(RSD)急劇下降，NiFeOOH和NiFeOOH@SO4的去質(zhì)子能勢(shì)壘分別為1.66 eV和1.64 eV，這意味著活性位點(diǎn)轉(zhuǎn)向了Fe(圖5e)，這從理論上解釋了Fe引入后OER活性的大幅增強(qiáng)。
LOM的吉布斯自由能圖如圖5f所示，確定*O-OH的形成為NiOOH、NiFeOOH和NiFeOOH@SO4的RDS，其能壘分別為2.06、3.18和2.01 eV。計(jì)算結(jié)果表明，單一Fe的引入不利于LOM途徑，這可能與Fe位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)AEM熱力學(xué)有關(guān)，而S物種(SO4)的調(diào)制有效地優(yōu)化了LOM途徑中的OER活性。因此，F(xiàn)e、S共調(diào)制實(shí)現(xiàn)了AEM和LOM途徑下對(duì)NiFeOOH@SO4的OER中間體吸附的同時(shí)優(yōu)化，縮小了AEM和LOM之間的能壘差異，提高了多機(jī)制的相容性(圖5g, h)。
文獻(xiàn)信息
Fe-S dually modulated adsorbate evolution and lattice oxygen compatible mechanism for water oxidation，Nature Communications，2024.
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52682-y