具有原子分散的镍钴协同双位点催化剂用于高效电催化析氧

近年来，单原子催化剂由于其较高的原子利用率和经济性逐渐成为了研究热点。然而，其较低的活性位点载量和较弱的位点间相互作用限制了其在电催化领域的进一步应用。同时，常见的金属-氮-碳材料的单原子催化剂比表面积较低，不利于催化位点的广泛分布和反应过程的电子转移与传质。因此，引入另一种金属位点，设计异核双位点催化剂，形成较强的位点间协同作用，进而提高催化反应的效率，具有很重要的意义和挑战。

近日，新加坡南洋理工大学楼雄文教授（点击查看介绍）团队通过多步模版法辅助原子化过程的策略，在空心棱柱结构上合成了具有原子分散的Ni/Co协同双位点氮掺杂碳催化剂（a-NiCo/NC）用于高效电催化析氧反应（OER）。得益于原子分散的双金属Ni/Co位点及其协同作用，制备的a-NiCo/NC催化剂对OER表现出了增强的反应动力学与优越的电催化活性。此外，DFT计算表明，异核成对的Ni/Co双位点间存在较强的协同作用，进而优化了电子结构，降低了反应能垒，从而促进了OER过程。

图1. a-NiCo/NC合成示意图。

在氮掺杂碳的空心棱柱结构上原子分散的Ni/Co双位点催化剂主要通过以下步骤合成。首先合成具有棱柱结构的NiCo基前驱体。然后，在碱性环境下通过自聚合作用使得棱柱表面生长了一层均匀的聚多巴胺 (PDA)。再将产物置于加热的水溶液中进行刻蚀，产生空心结构。后续对空心NiCo前驱体/PDA进行低温碳化，并在酸性溶液中除掉过量的金属颗粒，得到NiCo NPs/NC样品。最后，对NiCo NPs/NC在高温条件下进行原子化处理得到a-NiCo/NC催化剂。

图2. 形貌与结构表征：NiCo NPs/NC的a,b) FESEM图像，c,d) TEM图像。a-NiCo/NC的 e,f) FESEM图像，g,h) TEM图像，i) HRTEM图像，j) HAADF-STEM图像和k) 相应元素的mapping图，l) a-NiCo/NC的球差校正HAADF-STEM图像。

球差校正的HAADF-STEM图像中高密度的成对亮点证实了a-NiCo/NC催化剂中可能存在的Ni和Co双位点。Co与Ni的K边FT-EXAFS谱图证明了Ni/Co配位结构的形成。

图3. 电化学测试结果：a-NiCo/NC, NiCo NPs/NC, a-Ni/NC, a-Co/NC, RuO₂的a) LSV曲线，b) 在10mA cm^-2和50mA cm^-2条件下的过电位数值，c) Tafel斜率。d) a-NiCo/NC, a-Ni/NC, a-Co/NC的TOF数值。e) a-NiCo/NC, NiCo NPs/NC, a-Ni/NC, a-Co/NC在相对可逆氢电极电势为0.94 V 条件下电容电流密度与不同扫速的比值，f) a-NiCo/NC, NiCo NPs/NC, RuO₂的稳定性测试结果。

电化学实验的结果显示a-NiCo/NC的催化活性远高于NiCo NPs/NC，这表明a-NiCo/NC中氮和双金属位点的强相互作用有利于促进OER。此外，a-NiCo/NC催化剂具有相比于a-Ni/NC和a-Co/NC显著降低的过电位，表明了Ni/Co位点间的协同效应有利于其OER性能的提升。DFT计算结果表明，Ni/Co双位点间的协同作用有助于调控其d带中心的位置，降低反应能垒，优化决速步，与实验结论相吻合。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。

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）：

Highly Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution Over Atomically Dispersed Synergistic Ni/Co Dual Sites 

Zhihao Pei,^† Xue Feng Lu,^† Huabin Zhang, Yunxiang Li, Deyan Luan,* and Xiong Wen (David) Lou*

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202207537, DOI: 10.1002/anie.202207537

导师介绍

楼雄文

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