新技術減少電催化劑“鐵流失”

人民網 李 娜2019-07-03 11:04:15
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  新技術減少電催化劑“鐵流失”

  科技日報訊 (記者吳長鋒)記者從中國科學技術大學獲悉,該校俞書宏教授團隊和高敏銳教授課題組通過對傳統普魯士藍(PBA)材料進行氮氣等離子體轟擊,成功研制了一種富含氰基空位的高效析氧反應催化劑。這種氰基空位不僅能夠調節PBA材料的局域電子結構和金屬配位環境,還能夠高效抑制鐵活性物種在電循環過程中的流失。相關研究成果日前發表在《自然·通訊》上。

  析氧反應(OER)是光/電解水和金屬空氣電池等新能源存儲與轉化器件的關鍵半反應。發展廉價高效的析氧反應電催化劑,進一步降低電極過電勢、提升器件能量效率是非常具有挑戰性的課題。材料缺陷工程能夠調節催化劑的電負性、電荷分布以及配位環境,被認為是一種有效提升催化劑性能的策略。設計新型缺陷結構,營造新的活性位形式,有望進一步優化既有催化材料的催化性能。

  研究人員以鉬酸鎳納米棒為模板,首先制備出多孔的鎳鐵基PBA材料,隨后對其進行氮氣等離子體轟擊,即可得到富含有氰基空位的PBA催化劑。通過多種表征手段,例如高分辨透射電鏡、正電子湮滅技術、元素含量分析、以及尾氣吸收檢測等,確認這種新型氰基空位的形成。

 

  電化學測試顯示,經過氮氣等離子體轟擊60分鐘的PBA樣品,表現出最好的析氧反應活性,遠優于其它高效的析氧反應催化劑,結構分析表明,這種高的析氧反應活性來源于氰基空位誘導產生的不飽和鎳鐵位點。進一步發現,不含氰基空位的PBA材料的鐵活性物種會逐漸溶解到電解液中。與之形成鮮明對比的是,含有氰基空位PBA會大幅度抑制鐵活性物種的流失,從而在析氧反應循環過程中自重構形成高活性的表面活性層,進而導致優異的OER活性和穩定性。

  這一成果提供了一種新的制備高活性鎳鐵羥基氧化物的策略,并為發展新的缺陷類型提供了新的借鑒,為今后設計更加高效的氧析出反應催化劑提供了嶄新的思路。