金属/过渡金属氢氧化物复合材料的自驱动合成及协同催化析氧反应

析氧反应（oxygen evolution reaction，OER）作为近年来备受关注的电催化反应，在燃料电池、分解水以及可充金属-空气电池等可再生能源转换领域扮演着不可替代的角色。然而，多电子转移过程（4OH^-→2H₂O+O₂+4e^-）会导致缓慢的反应动力学，限制可再生能源技术的商业化。构建金属/金属化合物负载型催化剂一方面能够减少贵金属的使用，防止在催化过程中发生团聚，另一方面异质界面处能够产生强烈的电子相互作用，优化电子结构，进而调节对OER反应历程中中间产物的吸脱附，实现活性提升。然而，目前实现金属颗粒的负载主要通过光解、热解或者还原剂法，不仅需要消耗能量而且金属与载体之间多以落附的方式存在，界面结合力弱且复合效果相对较差。因此，探索一种制备简单、高效、绿色的金属基负载型催化材料的制备策略具有重要意义。

Figure 1. Schematic illustration of synthetic procedures for Ag NPs decorated Co(OH)₂ nanosheets. From：Angew. Chem. Int. Ed.

近日，天津大学胡文彬（点击查看介绍）、韩晓鹏教授（点击查看介绍）课题组，通过一种基于在室温下自发性氧化还原反应（spontaneous redox reaction，SRR）的新策略，成功制备了金属/过渡金属氢氧化物复合材料。他们利用载体M(OH)₂（M=Co，Ni）与金属Ag⁺之间的标准氧化还原电位之差为反应驱动力，实现了在层状M(OH)₂表面均匀沉积Ag纳米粒子，实现了两者之间紧密而稳定界面结构的形成。分析结果表明，利用SRR合成出的Ag纳米颗粒粒径在5 nm左右，并且分布均匀。此方法还可以拓展到其他的金属种类和基底材料，表明这种合成策略具有一定的普适性。

Figure 2. (a-c) SEM, (d-f) TEM and (g-i) EDS images of Ag@Co(OH)_x/CC. From: Angew. Chem. Int. Ed.

用于在碱性溶液中催化OER时，Ag@Co(OH)_x展现了出色的反应活性和稳定性，通过实验和理论分析，高效的催化活性归因于Ag纳米颗粒与载体之间存在着强烈电子相互作用，表面的Ag纳米颗粒对反应中间体的结合能得到有效地优化，进而成为OER反应活性位点，相对于传统的Ag/C材料，金属Ag的本征活性大幅提升。基于其绿色、简单的制备方法和优异的性能，开发出的复合电极材料在碱性电分解水、柔性可充金属空气电池等领域有着良好的应用前景。

Figure 3. The differential charge density, electronic structure and calculated OER energy diagrams. From: Angew. Chem. Int. Ed.

以上研究表明，通过自发反应法成功实现了金属/氢氧化物负载型结构的构建，过渡金属氢氧化物与金属纳米颗粒之间存在着强金属-基底电子相互作用，能够有效改善Ag的电子结构，从而大幅提升其本征催化活性，研究结果为金属基复合电催化材料的设计研发提供了新的思路。这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是天津大学硕士研究生张昭。

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Spontaneous Synthesis of Silver-Nanoparticle-Decorated Transitio-Metal Hydroxides for Enhanced Oxygen Evolution Reaction

Zhao Zhang, Xiaopeng Li, Cheng Zhong, Naiqin Zhao, Yida Deng, Xiaopeng Han, Wenbin Hu

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202001703

导师介绍

胡文彬，教授，博士生导师，现任天津大学材料学院院长。国家杰出青年基金获得者，国家万人计划领军人才，国家重点研发计划材料基因组项目责任专家，科技部重点领域创新团队负责人。长期从事能源关键材料及表界面科学与工程研究，在国内外学术刊物发表SCI论文300余篇，出版著作或教材4部，获国家授权发明专利50余项。作为第一完成人，获得国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖2项。先后任腐蚀与防护学会副理事长、中国材料研究学会青年工作委员会理事会副主任、国际电化学能源科学院理事，任Science China Materials、无机材料学报、中国有色金属学报等学术期刊编委。

https://www.x-mol.com/university/faculty/50287

韩晓鹏，副教授，2010年于天津大学获学士学位，2015年于南开大学获博士学位（师从陈军院士），2019年在香港科技大学做访问学者。研究方向是微纳材料的可控制备、表界面调控及器件应用方面的研究。主持国家自然科学基金面上、青年等项目，参与科技部重点研发计划课题，在Nature Energy、Nature Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等期刊发表SCI论文110余篇，SCI总被引5050余次，H-index=39，22篇入选ESI高被引论文和热点论文，申请国家发明专利30余项，出版英文著作1部；担任Front. Chem.期刊客座编辑和天津市青年科技工作者学会委员，2016年获天津市自然科学一等奖，2018年获中国科协及天津市青年人才托举工程，2019年获J. Mater. Chem. A期刊的Emerging Investigator。

https://www.x-mol.com/university/faculty/50293