全重构催化剂用于超稳定析氧催化及电解水应用

近年来，在非贵金属析氧反应电催化剂的研究中，Fe/Co/Ni基材料（如氧化物、磷化物、氮化物、钙钛矿、双金属氢氧化物等）被认为是最具前途、廉价且可与贵金属Ru/Ir基催化活性相媲美甚至超越的析氧反应催化剂。这些催化剂在电氧化条件下会发生表面重构，在原始催化剂的表面原位形成无定形或低结晶性的催化物种。这些物种一般在OER发生并析出氧气时重构形成对应金属的氢氧化物或羟基氧化物，因此这些重构的新物种才是真正的催化活性物种，而原先的材料只能被称为前催化剂。这些重构催化剂通常展现出近表面重构的核壳结构，由于催化是表面反应过程，大量的内部组分无法直接进行催化反应，进而导致未被完全开发的催化活性和较低的组分利用率。除此之外，部分重构催化剂的复杂组分也影响了其催化机制的探索和真正催化位点的认知。因此，探索能实现完全重构的前催化剂（所获得的催化剂称为全重构催化剂）具有重要意义。特别地，开展工业参数下的性能评估，也将进一步促进催化剂迈向产业化进程。

近日，武汉理工大学麦立强教授（点击查看介绍）和吴劲松教授（点击查看介绍）报道了全重构催化剂及其超稳定催化应用，本工作重要发现点包括：（1）发现水合钼酸镍（NiMoO₄•xH₂O）纳米线（可推广至水合钼酸钴、含结晶水的碱式碳酸钴等材料）在常温碱性OER下可自发完全重构，而经过煅烧处理并失去结晶水的钼酸镍材料，发生表面重构；（2）结合原位拉曼、非原位电镜等表征，揭示了水合钼酸镍的动态重构过程，包括结构坍塌、物种浸出、表面无定形化、低结晶性羟基氧化物的形成、电解液的深度渗透、内部前催化剂的重构等复杂步骤；多物种（包括结晶水、钼酸根离子）共浸出所产生的疏松重构层是其重构过程进行彻底的关键因素；（3）所获得的全重构催化剂是由~5 nm超小活性颗粒内连接的纳米线结构，具有低结晶性、多孔、丰富缺陷等特征，促进了电解液的深度浸润和催化剂各组分的高效利用；该特殊结构归因于原位电化学测试，而普通的刻蚀处理得到的是较高结晶性的纳米片组装的纳米线结构；（4）全重构催化剂在常规及工业参数下均表现出高催化稳定性和结构组分稳定性。

本工作展望：（1）因其独特的结构和稳定的催化等特点，全重构催化剂值得被关注；（2）原位电化学重构可发展为新结构材料制备的新方法，在能源存储与转化中可以有所应用；（3）考虑到电解水工业参数与常规测试条件的差异性，对于涉及重构的材料更应关注其在极端条件下的重构程度及催化机制，而全重构催化剂则可以有效避免该问题。

这一研究成果发表在Cell Reports Physical Science。

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Complete Reconstruction of Hydrate PreCatalysts for Ultrastable Water Electrolysis in Industrial-Concentration Alkali Media

Xiong Liu, Jiashen Meng, Kun Ni, Ruiting Guo, Fanjie Xia, Jingjing Xie, Xu Li, Bo Wen, Peijie Wu, Ming Li, Jinsong Wu, Xiaojun Wu, Liqiang Mai, Dongyuan Zhao

Cell Rep. Phys. Sci., 2020, DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100241

研究团队简介

麦立强教授，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在中国科学院外籍院士美国佐治亚理工学院王中林教授课题组、美国科学院院士哈佛大学Charles Lieber教授课题组、美国加州大学伯克利分校杨培东教授课题组从事博士后、高级研究学者研究。长期从事纳米能源材料与器件研究，设计组装了国际上第一个单根纳米线全固态电化学储能器件，率先实现了新一代高性能钒系纳米线动力电池的规模化制备和应用。发表SCI论文300余篇，包括Nature及其子刊12篇，影响因子10.0以上的论文100余篇。主持国家杰出青年科学基金、国家重大科学研究计划课题、国家国际科技合作专项、国家自然科学基金重点项目等30余项科研项目。获国家自然科学奖二等奖（2019，第一完成人）、何梁何利基金科学与技术创新奖（2020）、教育部自然科学一等奖（2018，第一完成人）、英国皇家化学学会会士、英国皇家化学会中国高被引作者、中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、EEST2018 Research Excellence Awards、Nanoscience Research Leader奖，入选国家“百千万人才工程计划”、科技部中青年科技创新领军人才计划，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。现任国际期刊Journal of Energy Storage副主编、Advanced Materials、Chemical Reviews客座编辑、Accounts of Chemical Research、Joule（Cell子刊）、ACS Energy Letters、Advanced Electronic Materials、Small 国际编委等。

麦立强

https://www.x-mol.com/university/faculty/26717

课题组链接

http://mai.group.whut.edu.cn

麦立强教授课题组微信公众号：MLQ_group

吴劲松教授现为武汉理工大学纳微结构研究中心NRC执行主任。回国前曾在德国Juelich研究中心（作为洪堡学者与球差电镜的发展者Urban教授合作）、美国亚利桑那州立大学电镜中心、以及美国西北大学材料系与电镜中心工作。在衍射物理的理论分析和高分辨电子显微学的实验方面具有丰富的研究经验。包括电子晶体学、三维重构、原位电子显微学、球差矫正电子显微学、定量电子衍射、电子能量损失谱分析和应用以及这些技术在材料精细表征中的应用。在材料学、晶体学和电子显微学领域国际著名期刊包括Science、Nature Nanotechnology、Nature Materials 、Ultramicroscopy、Acta Crystallography 等发表高水平论文100余篇, 目前的研究方向为电池、热电材料、光伏材料和储能材料以及在原位中的应用。如有兴趣可联系邮箱 wujs@whut.edu.cn。

https://www.x-mol.com/university/faculty/257822