第一作者：周天凝
通訊作者：景曉飛，弓亞瓊
通訊單位：中北大學，東北師范大學
論文DOI：10.1016/j.jcis.2022.01.139
近日，中北大學弓亞瓊教授團隊在國際知名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上發(fā)表題為 “Selenide-based 3D Folded Polymetallic Nanosheets for aHighly Efficient Oxygen Evolution Reaction”的研究性論文。文章通過電沉積以及化學氣相沉積的方式在導電基底泡沫鎳(NF)上成功組裝了具有多孔隙褶皺狀結構的Mn-Co0.85Se/NiSe2納米片，Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF展現(xiàn)出優(yōu)越的OER催化活性，這一工作為硒基OER催化劑的設計和合成提供了一個新的設計方向。 氫能具能量轉換效率高、能量密度高、二氧化碳零排放、環(huán)境相容性好等特點。利用可再生電能進行電化學水分解是一項很有應用前景的環(huán)境友好型技術，為未來的氫經濟提供了切實可行的策略。析氧反應（OER）由于其四電子轉移機制（4OH- → 2H2O + O2 +4e-），具有較高的動力學能壘，被認為是電解水、金屬-空氣電池、二氧化碳還原等反應過程中的關鍵反應步驟。迄今為止，二氧化銥 (IrO2) 和二氧化釕 (RuO2) 被認為是綜合性能最好且應用最為廣泛的OER電催化劑，但稀缺性和高成本嚴重地限制了貴金屬催化材料大規(guī)模的商業(yè)應用。因此, 開發(fā)價格低廉且效能較高、性能穩(wěn)定的可替代貴金屬催化劑的新型OER電催化劑對于新型能源的開發(fā)具有十分重要的意義。1. 通過對電沉積在導電基底泡沫鎳上的CoMn前體進行高溫硒化成功合成了Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF納米片。2. 多孔隙的三維褶皺納米片結構為催化反應提供豐富的活性位點。3. 多金屬協(xié)同調控電子結構，優(yōu)化OER過程的反應動力。4. Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF表現(xiàn)出優(yōu)異的OER活性 (175 mV @ 10 mA cm-2)圖1 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的合成路線圖圖2 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的SEM圖圖3 XRD圖 (a)Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF,(b，c) Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF和Se-Pre-Co/NF圖4 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF:(a, b) TEM圖, (c)HRTEM圖, (d) SADE圖; (e, f) EDX圖譜以泡沫鎳為導電基底，采用電沉積的方式在泡沫鎳骨架上均勻地負載了CoMn雙金屬納米片, 之后采用化學氣相沉積的方式將其轉化為具有三維多孔隙褶皺結構的硒化物納米片。SEM圖中多孔隙的Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF納米片之間存在大量的空腔，為催化反應的進行和反應物質的轉移、擴散提供了豐富的位點和通道。XRD測試表明30.1°,33.8°,43°和33.2°, 50.4°,62.1°處的衍射峰分別對應NiSe2和Co0.85Se的標準卡片。與不含Mn的樣品（Se-Pre-Co/NF）的XRD數(shù)據相比，Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF衍射峰的輕微偏移也說明了Mn元素的成功摻雜。HRTEM中的代表著NiSe2和Co0.85Se的晶格條紋和EDX mapping中微量的Mn元素表明Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的成功合成。圖5 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的電子結構表征圖6 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF與Se-Pre-Co/NF中Co，Ni電子結構對比圖對比了Mn引入前后體系中Co, Ni元素的電子結構變化，可以發(fā)現(xiàn)引入Mn之后，Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF中Co 2p3/2和Ni 2p3/2衍射峰向低結合能方向出現(xiàn)了不同程度的偏移，并且Co3+，Ni3+離子的含量增加。高價態(tài)的過渡金屬離子有益于OER過程的電子傳遞，從而大大提升材料的催化活性。圖7 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的電化學性能得益于獨特的多孔隙結構和多金屬之間的協(xié)同作用，Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF表現(xiàn)出優(yōu)異的OER活性 (175 mV @ 10 mA cm-2)，塔菲爾斜率僅為33.26mV dec-1，優(yōu)于大多數(shù)先進的OER電催化劑。電沉積被認為是一種簡單且高效的制備功能性材料的方法，電沉積法可以通過調節(jié)單體在界面處的氧化/還原反應來控制電沉積產物的形貌，厚度以及摻雜狀態(tài)。本文采用簡便的電沉積及化學氣相沉積的方式在導電基底泡沫鎳上成功組裝了具有高OER活性的Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF催化材料。多孔隙的表面結構確為催化反應的順利進行提供了豐富的反應位點和氣體釋放通道，多金屬之間的協(xié)同作用有效調整了體系中的電子結構，大大提升了催化材料的本征催化活性。本工作為電沉積的應用及硒基OER催化劑的設計提供了一種可行的策略。通訊作者：弓亞瓊，中北大學，教授，博導。主要從事功能化納米材料的設計及其在能源領域的應用 (電解水、 燃料電池等)。近年來，以第一作者/通訊作者在Applied Catalysis B: Environmental, Journal of Energy Chemistry, Journal of Materials Chemistry A， Applied Surface Science 等刊物發(fā)表SCI收錄論文50余篇，授權中國發(fā)明專利2項，主持國家自然科學基金青年項目，山西省重點研發(fā)國際合作項目等多項課題。第一作者：周天凝，中北大學碩士二年級研究生，主要研究方向為電催化材料的合成與性能研究。
