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非晶态金属——酸性及碱性介质中的高效析氧催化物质

析氧催化反应(OER)在可再生能源转化和储存装置中具有至关重要的作用,如电解水电池、燃料电池及锂空气电池等。然而,装置中不同的溶液pH环境是影响析氧反应的一个重要因素。设计析氧电催化剂的基本策略是在提高催化剂活性的同时保持催化剂的持久性。然而,现有技术的发展和应用瓶颈在于,随着电催化活性位点数量的不断提高,电催化剂在OER中表面形成氧化膜,该氧化膜提高了催化剂颗粒之间的串联电阻,削弱了活性位点获得电子的能力,并降低了催化物质在酸性介质中的持久性。如何在提高活性位点数量时,维持长期高效本征活性的性能,是电催化剂材料在设计与制备过程中面临的重大挑战。


景德镇陶瓷大学胡飞教授与中国科学技术大学熊宇杰教授、同济大学杨晓伟教授、天津大学朱胜利教授设计出一种兼具宏观导电性及表面活性位点的非晶态金属催化剂,熔融金属材料在高温退火后保持非晶态特性,使其表面成为活性位点;其金属特性又带来优异的宏观导电性。两者的结合实现了高密度活性位点高效转导电子的能力。


该催化剂设计的关键在于催化位点与宏观导电性的调控。研究表明,元素P可以稳定Ni、Fe元素形成具有宏观导电性的非晶态金属,非晶态金属中的P与Ni、Fe不饱和键合,使其表面具有高密度的活性位点。在此基础上,研究人员通过对元素组分及结晶状态的调整,实现了OER析氧反应高效的催化速率。


在该研究中,非晶态金属NiFeP材料在碱性介质中只需319 mV的过电位就可以达到10 mA•cm-2的OER反应速率,在100 mA•cm-2下可以稳定超过12小时;在酸性介质的相同条件下,过电位为540 mV,并能保持稳定超过30个小时。材料的制备和表征同时得到美国阿贡国家实验室和日本东北大学的支持合作。


该工作实现了高密度活性位点的构筑,并维持本征活性位点的催化活性,为电催化反应提供了一种材料设计及制备的新策略。该研究提出的材料设计思路凸显了高导电性能对电催化材料的重要作用,对宏观尺度设计和制备电催化材料具有推动作用。这一成果近期发表在Advanced Materials 上,第一及通讯作者胡飞教授是景德镇陶瓷大学的引进人才,主要从事新能源转换材料领域前沿学术理论和关键技术的研究,在新能源转换基础理论、物质构效关系、新材料设计与创制、组分及结构的构筑与理论具有丰富的工作积累,在相关领域发表SCI论文20余篇。自2016年以来,胡飞教授主要围绕催化集流的电催化电极材料,通过调整电催化材料的组分、晶型以及微观结构,优化其电催化性能、稳定性和转化效率。


该论文作者为:Fei Hu, Shengli Zhu, Shuangming Chen, Yu Li, Lu Ma, Tianpin Wu, Yan Zhang, Chengming Wang, Congcong Liu, Xianjin Yang, Li Song, Xiaowei Yang, Yujie Xiong

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Amorphous Metallic NiFeP: A Conductive Bulk Material Achieving High Activity for Oxygen Evolution Reaction in Both Alkaline and Acidic Media

Adv. Mater., 2017, 29, 1606570, DOI: 10.1002/adma.201606570


导师介绍

胡飞

http://www.x-mol.com/university/faculty/38473

熊宇杰

http://www.x-mol.com/university/faculty/14790

杨晓伟

http://www.x-mol.com/university/faculty/17097


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