NiFe基电催化剂在水氧化反应中已经得到了广泛研究,但是,基于多界面修饰对电催化析氧反应(OER)的研究仍然不足.本课题组开发了通过多种碳基界面工程的协同作用来提高NiFe基纳米电催化剂OER性能的方法 .在碳纤维纸(CFP)上原位生长碳纳米管以改善CFP和NiFeOxHy之间的界面,同时采用碳复合NiFeOxHy的策略优化NiFeOxHy界面的电荷转移和电子结构.基于这种策略合成的NiFeOxHy-C/CNTs/CFP催化剂在电流密度10 mA cm-2条件下的过电位为202 mV,稳定时间达到72 h,表现出较好的水氧化性能.扫描电子显微镜、透射电子显微镜、场发射透射电子显微镜和X射线衍射等结果 表明,CNTs提高了催化剂的分散度,从而暴露了更多的活性位点,碳掺杂改变了催化剂的晶态,导致催化剂无定形化.Raman光谱则证实了掺杂碳是以无定形碳和石墨碳的形态存在.电化学阻抗谱结果表明,碳界面修饰降低了催化剂和电解液之间的界面电荷传递电阻,加速了水氧化反应的动力学.除了界面电阻和电化学活性位点数量,催化剂的电化学性能还与催化剂的电化学活性面积(ECSA)以及金属中心的电子结构密切相关.与NiFe/CNTs/CFP催化剂相比,催化剂NiFe-C/CNTs/CFP具有较低的活性面积和较高的几何活性,也证实了碳掺杂提高了催化剂的本证活性.X射线光电子能谱和X射线吸收谱则提供了多碳界面修饰对催化剂电子结构变化的依据.根据EXAFS拟合数据,键长分别为2.301和2.578 A的分裂峰归属于Fe-O-C配位层,证实了金属Fe和碳材料之间存在很强的相互作用,这种相互作用有助于提高催化剂的分散度,并且减弱金属和金属之间的相互作用,从而优化催化剂表面对中间态物种的化学吸附能.为了考察NiFe-C/CNTs/CFP和NiFe/CNTs/CFP两种催化剂在OER反应中可能的机理,本文测试了它们在不同pH条件下的极化曲线,通过建立电流密度的对数值和pH之间的线性关系,证实了两种催化剂的OER反应速控步骤均为去质子化过程.另外,根据Arrhenius方程计算结果表明,在过电位为300 mV的条件下,NiFe/CNTs/CFP和NiFe-C/CNTs/CFP的OER反应活化能分别为16.8和11.2 kJ mol-1,进一步证实了多碳界面修饰策略有效降低了水氧化反应的反应能垒.综上,本文为开发高效稳定的过渡金属水氧化电催化剂提供了新途径,有助于进一步拓展碳复合材料在电催化OER反应中的应用.

电催化剂;析氧反应;界面工程;碳纳米管;纳米复合物

乔玉彦;潘艳秋;张江威;王彬;武婷婷;范文俊;曹雨程;Rashid Mehmood;张飞;章福祥

大连理工大学化工学院,辽宁大连116024;中国科学院大连化学物理研究所,催化基础国家重点实验室,洁净能源国家实验室,能源材料化学协同创新中心,辽宁大连116023

催化学报

[1]乔玉彦;潘艳秋;张江威;王彬;武婷婷;范文俊;曹雨程;Rashid Mehmood;张飞;章福祥-.多碳界面工程用于促进NiFe纳米复合电催化剂的产氧反应)[J].催化学报,2022(09):2354-2362

NiFeOxHy

界面工程,电催化剂,产氧,水氧化反应,多界面,界面修饰,电催化析氧反应,OER,碳基,基纳,碳纤维纸,CFP,上原,原位生长,碳纳米管,策略优化,电荷转移,电子结构,CNTs,电流密度,mA,过电位,mV,稳定时间,氧化性能,透射电子显微镜,场发射,分散度,活性位点,碳掺杂,晶态,Raman,无定形碳,电化学阻抗谱,电解液,界面电荷,面电阻,电化学活性,电化学性能,ECSA,光电子能谱,吸收谱,EXAFS,键长,归属于,配位,碳材料,化学吸附,吸附能,极化曲线,去质子化,Arrhenius,反应活化能,kJ,修饰策略,能垒,高效稳定,过渡金属,碳复合材料,纳米复合物

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