單位：南京師范大學(xué)，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院NiFe基材料因其成本低、儲量高、電催化性能好而成為貴金屬基催化劑在析氧反應(yīng)(OER)中的替代材料。無載體的NiFe粒子在苛刻的電解質(zhì)條件下容易發(fā)生化學(xué)腐蝕與嚴重的聚集而導(dǎo)致其催化活性和穩(wěn)定性下降。原子摻雜的碳載體和碳包覆被認為是提高催化劑活性和穩(wěn)定性的有效策略。目前通過一種簡單有效的方法控制碳載體的分層多孔結(jié)構(gòu)和活性物種表面碳包覆的厚度仍然是一個極大挑戰(zhàn)。在本工作中，作者提出了一種有機金屬配位聚合物OCP誘導(dǎo)策略來構(gòu)建負載NiFe納米顆粒的層狀氮摻雜碳骨架(NixFe@N-C)，并作為一種高活性和穩(wěn)定性的OER催化劑。其中，OCP前驅(qū)體的合成依賴于亞氨基二乙腈(IDAN)獨特的分子結(jié)構(gòu)，IDAN可與金屬離子配位形成具有普魯士藍類似物(PBA)結(jié)構(gòu)的Ni2Fe(CN)6。與傳統(tǒng)的PBA合成方法不同，本研究通過調(diào)節(jié)IDAN的用量，可以很好地控制熱解過程中包覆金屬表面的碳層厚度，為研究碳層厚度與催化性能之間的關(guān)系搭建了良好的橋梁。要點一：簡易并同步實現(xiàn)摻雜和結(jié)構(gòu)調(diào)控，構(gòu)建負載NiFe粒子的層狀氮摻雜的碳框架本文提出了一種以亞氨基二乙腈(IDAN)為有機配體制備Ni2Fe(CN)6 PBA的新方法。IDAN中的氰基作為強場配體容易與金屬離子形成平面結(jié)構(gòu)，形成層級化片狀結(jié)構(gòu)。通過對多級片狀結(jié)構(gòu)的Ni2Fe(CN)6 PBA直接熱解，獲得了錨定Ni3Fe納米顆粒的層狀氮摻雜碳框架催化劑(NixFe@N-C)，且粒子表面碳層厚度可控。層狀多孔的碳框架結(jié)構(gòu)提供了高的活性面積與豐富的活催化性位點，活性粒子表面的碳層有利于防止顆粒團聚和控制顆粒尺寸，從而有利于提升催化劑的活性和穩(wěn)定性。要點二：通過調(diào)節(jié)亞氨基二乙腈(IDAN)用量易于Ni3Fe納米粒子表面碳層厚度控制實驗結(jié)果表明，IDAN的含量對催化劑的碳層結(jié)構(gòu)，納米粒子尺寸和表面的碳層厚度有重要的影響。隨著IDAN的增加，Ni3Fe納米粒子尺寸越小，碳層厚度越厚。由于碳層的電子結(jié)構(gòu)可以被封裝的金屬粒子更好地調(diào)節(jié)，因此合適的碳層厚度可以有效的改善催化劑的活性；活性碳層也可有效優(yōu)化反應(yīng)中間體在碳表面的吸附強度，降低過電位，提高催化活性。▲圖2. 不同含量IDAN條件下獲得的Ni3Fe納米粒子
要點三：通過實驗和理論結(jié)合，闡明了OER的改善機理。實驗結(jié)合DFT理論研究證實，合適的碳層厚度會導(dǎo)致最佳的OER活性和穩(wěn)定性。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和組成，優(yōu)化后的Ni3Fe@N-C催化劑具有較低的過電位(在10 mA cm?2下為260 mV；在50 mA cm?2下為320 mV)和優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。▲圖3. 表面碳層可控的Ni3Fe@N-C催化劑的OER性能及機理研究
作者報道了一種有效且非傳統(tǒng)的PBA介導(dǎo)策略來制備三維層狀納米結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由氮摻雜層狀碳納米片和原位錨定的Ni3Fe納米粒子(Ni3Fe@N-C)組成，且納米粒子表面具有超薄碳層。通過控制IDAN用量、熱解溫度和Ni/Fe投料比等因素，獲得的最優(yōu)的Ni3Fe@N-C催化劑，在催化OER過程中展現(xiàn)了良好的反應(yīng)動力學(xué)、導(dǎo)電性以及可靠的穩(wěn)定性。在電流密度為10和50 mA cm?2的條件下，優(yōu)化后的Ni3Fe@N-C催化劑的過電位分別為260和320 mV。這項工作不僅突出了層狀Ni3Fe@N-C作為OER催化劑的優(yōu)點，且在一定程度上為開發(fā)具有可控碳層的電催化劑提供了新的設(shè)計策略。博士畢業(yè)于南京師范大學(xué)，現(xiàn)為南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授，入選江蘇省特聘教授。2017-2020年先后在新加坡南洋理工大學(xué)、美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校從事博士后研究工作。2021年加入南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院。主要研究領(lǐng)域為電化學(xué)能源儲存與轉(zhuǎn)換中關(guān)鍵材料的設(shè)計、性能優(yōu)化以及機理研究。截至目前，以通訊/第一作者在Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Nano Energy, Chem. Sci., Energy Storage Mater., Appl. Catal. B Environ., Small等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文70余篇，其中17篇入選1% ESI高被引論文，被引6500余次，h指數(shù)48。授權(quán)國家發(fā)明專利6項。受邀擔(dān)任Advanced Powder Materials期刊青年編委、Materials Today Energy編委(ECR)、《粉末冶金材料科學(xué)與工程》期刊青年編委、Catalysts期刊編委，以及ChemElectroChem, Frontiers in Chemistry, Nanomaterials等期刊客座編輯。博士畢業(yè)于南京理工大學(xué)，現(xiàn)為南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院院長，教授，博士生導(dǎo)師，江蘇省化學(xué)化工學(xué)會理事、江蘇省電化學(xué)專業(yè)委員會主任、江蘇省教育學(xué)會化學(xué)教學(xué)會理事長。主要研究方向為電化學(xué)及能源材料。發(fā)表SCI論文200余篇，他引8000余次，H因子為51，申報和授權(quán)國家發(fā)明專利36件，主持國家863項目和國家自然科學(xué)基金項目等8項，獲江蘇省教學(xué)成果二等獎兩項，省科學(xué)技術(shù)獎兩項。Zhijuan Li, Xiaodong Wu, Xian Jiang, Binbin Shen, Zhishun Teng, Dongmei Sun, Gengtao Fu, Yawen Tang. Surface carbon layer controllable Ni3Fe particles confined in hierarchical N-doped carbon framework boosting oxygen evolution reaction, Advanced Powder Materials, Doi：10.1016/j.apmate.2021.11.007https://pan.baidu.com/s/1yaF9MP73aHzn4NOFsfinCA
