北京化工大学孙晓明教授课题组Adv. Energy Mater.：NiFeV三元水滑石纳米片阵列OER催化剂

【引言】

电解水制氢气一直是科研工作者研究的重点，包括氢析出反应(hydrogen evolution reaction, HER )以及氧析出反应(oxygen evolution reaction, OER)。其中OER因其为复杂的四电子转移过程受到了研究者的广泛关注。但目前应用于催化OER的商业化贵金属催化剂（Pt、Ir等）存在着价格昂贵及稳定性差等问题，严重限制了其在电解水等领域的发展。北京化工大学孙晓明教授课题组在非贵金属镍铁基水滑石OER催化剂方面做了开拓性的研究。早期他们在泡沫镍基底上实现镍铁水滑石纳米片的阵列化带来OER性能的大幅提高（Chem. Commun., 2014,50, 6479），接着又以Mn掺杂、Co掺杂、层间阴离子调控、磷化等手段（Chem. Commun., 2016,52, 908; J.Catal., 2018, 358: 100; Nano Res., 2017, 10, 1732; Nano Res., 2016, 9, 2251）实现了水滑石在电解水催化中的高性能。

【成果简介】

近日，在此前的基础上，该组在OER催化剂制备研究中有又取得了突破性进展。他们利用水热法，实现了镍-铁-钒三元水滑石（NiFeV-LDH）纳米片在泡沫镍基底上的原位生长。该催化剂中，钒是以高价态形式掺到镍铁水滑石金属层板结构中的，调节了镍铁水滑石的层板电荷密度，改变了材料的bandgap,提高了材料的导电性，助力了材料的催化性能。此外，该催化剂具有更为牢固的纳米阵列结构，使得三元水滑石可以充分地暴露出活性位点，增加导电性，加快电子传输，促进了OER过程中氢氧根的吸附和氧气的析出。活性位点的有效暴露，电解液的充分接触及电荷的高效传输赋予了NiFeV-LDH可媲美于贵金属基催化剂的催化性能。在OER过程中，其20mA/cm²电流密度下的过电位仅为195 mV，Tafel斜率仅为42 mV dec⁻¹。性能远远优于镍铁、镍钒水滑石以及商业RuO₂/C催化剂。该成果以题为“Tuning Electronic Structure of NiFe Layered Double Hydroxides with Vanadium Doping toward High Efficient Electrocatalytic Water Oxidation”发表在Adv. Energy Mater.上，孙晓明教授和刘文教授为共同通讯作者。

【图文导读】

图1.基于镍铁水滑石进行钒掺杂及其扫描电镜示意图

图2.材料结构相关表征

（A）NiFe LDHs及NiFeV LDHs XRD谱图；

（B-D） NiFe LDHs及NiFeV LDHs 中Ni、Fe、V元素分析。

图3.材料性能相关表征

（A） NiFeV LDHs, NiFe LDHs, NiV LDHs, Ni(OH)₂, Ru₂O/C 的OER LSV曲线；

（B） 20mA/cm², 100mA/cm²电流密度下NiFeV LDHs, NiFe LDHs, NiV LDHs的过电位；

（C） NiFeV LDHs, NiFe LDHs, NiV LDHs的tafel斜率；

（D） NiFeV LDHs, NiFe LDHs 在1.48V(vs. RHE)电压下的稳定性。

图4. DFT+U理论计算

（A） NiFe LDHs OER理论过程示意图；

（B） NiFeV LDHs OER理论过程示意图；

（C） NiFe LDHs，NiFeV LDHs OER过程的吉布斯自由能；

（D） NiFe LDHs，NiFeV LDHs 的DOS曲线。

【小结】

研究人员利用简单的一步水热法成功地制备了钒掺杂的三元镍铁钒水滑石纳米片阵列电极，实现了电化学活性的大大提高。钒元素的引入改变了水滑石层板电子结构，提高了导电性且影响了电子传输，进而实现OER性能的提升。该工作中催化剂制备简单，且具有优异的催化稳定性。此外，这项工作为水滑石材料在电催化领域的应用及电子结构调控及设计提供了借鉴。

文献链接：Tuning Electronic Structure of NiFe Layered Double Hydroxides with Vanadium Doping toward High Efficient Electrocatalytic Water Oxidation(Adv. Energy Mater. ,2018, DOI: 10.1002/aenm.201703341)

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