第一作者：周天凝
通訊作者：景曉飛，弓亞瓊
通訊單位：中北大學(xué)，東北師范大學(xué)
論文DOI：10.1016/j.jcis.2022.01.139
近日，中北大學(xué)弓亞瓊教授團(tuán)隊在國際知名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上發(fā)表題為 “Selenide-based 3D Folded Polymetallic Nanosheets for aHighly Efficient Oxygen Evolution Reaction”的研究性論文。文章通過電沉積以及化學(xué)氣相沉積的方式在導(dǎo)電基底泡沫鎳(NF)上成功組裝了具有多孔隙褶皺狀結(jié)構(gòu)的Mn-Co0.85Se/NiSe2納米片，Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF展現(xiàn)出優(yōu)越的OER催化活性，這一工作為硒基OER催化劑的設(shè)計和合成提供了一個新的設(shè)計方向。 氫能具能量轉(zhuǎn)換效率高、能量密度高、二氧化碳零排放、環(huán)境相容性好等特點(diǎn)。利用可再生電能進(jìn)行電化學(xué)水分解是一項很有應(yīng)用前景的環(huán)境友好型技術(shù)，為未來的氫經(jīng)濟(jì)提供了切實可行的策略。析氧反應(yīng)（OER）由于其四電子轉(zhuǎn)移機(jī)制（4OH- → 2H2O + O2 +4e-），具有較高的動力學(xué)能壘，被認(rèn)為是電解水、金屬-空氣電池、二氧化碳還原等反應(yīng)過程中的關(guān)鍵反應(yīng)步驟。迄今為止，二氧化銥 (IrO2) 和二氧化釕 (RuO2) 被認(rèn)為是綜合性能最好且應(yīng)用最為廣泛的OER電催化劑，但稀缺性和高成本嚴(yán)重地限制了貴金屬催化材料大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。因此, 開發(fā)價格低廉且效能較高、性能穩(wěn)定的可替代貴金屬催化劑的新型OER電催化劑對于新型能源的開發(fā)具有十分重要的意義。1. 通過對電沉積在導(dǎo)電基底泡沫鎳上的CoMn前體進(jìn)行高溫硒化成功合成了Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF納米片。2. 多孔隙的三維褶皺納米片結(jié)構(gòu)為催化反應(yīng)提供豐富的活性位點(diǎn)。3. 多金屬協(xié)同調(diào)控電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化OER過程的反應(yīng)動力。4. Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF表現(xiàn)出優(yōu)異的OER活性 (175 mV @ 10 mA cm-2)圖1 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的合成路線圖圖2 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的SEM圖圖3 XRD圖 (a)Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF,(b，c) Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF和Se-Pre-Co/NF圖4 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF:(a, b) TEM圖, (c)HRTEM圖, (d) SADE圖; (e, f) EDX圖譜以泡沫鎳為導(dǎo)電基底，采用電沉積的方式在泡沫鎳骨架上均勻地負(fù)載了CoMn雙金屬納米片, 之后采用化學(xué)氣相沉積的方式將其轉(zhuǎn)化為具有三維多孔隙褶皺結(jié)構(gòu)的硒化物納米片。SEM圖中多孔隙的Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF納米片之間存在大量的空腔，為催化反應(yīng)的進(jìn)行和反應(yīng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散提供了豐富的位點(diǎn)和通道。XRD測試表明30.1°,33.8°,43°和33.2°, 50.4°,62.1°處的衍射峰分別對應(yīng)NiSe2和Co0.85Se的標(biāo)準(zhǔn)卡片。與不含Mn的樣品（Se-Pre-Co/NF）的XRD數(shù)據(jù)相比，Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF衍射峰的輕微偏移也說明了Mn元素的成功摻雜。HRTEM中的代表著NiSe2和Co0.85Se的晶格條紋和EDX mapping中微量的Mn元素表明Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的成功合成。圖5 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的電子結(jié)構(gòu)表征圖6 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF與Se-Pre-Co/NF中Co，Ni電子結(jié)構(gòu)對比圖對比了Mn引入前后體系中Co, Ni元素的電子結(jié)構(gòu)變化，可以發(fā)現(xiàn)引入Mn之后，Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF中Co 2p3/2和Ni 2p3/2衍射峰向低結(jié)合能方向出現(xiàn)了不同程度的偏移，并且Co3+，Ni3+離子的含量增加。高價態(tài)的過渡金屬離子有益于OER過程的電子傳遞，從而大大提升材料的催化活性。圖7 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的電化學(xué)性能得益于獨(dú)特的多孔隙結(jié)構(gòu)和多金屬之間的協(xié)同作用，Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF表現(xiàn)出優(yōu)異的OER活性 (175 mV @ 10 mA cm-2)，塔菲爾斜率僅為33.26mV dec-1，優(yōu)于大多數(shù)先進(jìn)的OER電催化劑。電沉積被認(rèn)為是一種簡單且高效的制備功能性材料的方法，電沉積法可以通過調(diào)節(jié)單體在界面處的氧化/還原反應(yīng)來控制電沉積產(chǎn)物的形貌，厚度以及摻雜狀態(tài)。本文采用簡便的電沉積及化學(xué)氣相沉積的方式在導(dǎo)電基底泡沫鎳上成功組裝了具有高OER活性的Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF催化材料。多孔隙的表面結(jié)構(gòu)確為催化反應(yīng)的順利進(jìn)行提供了豐富的反應(yīng)位點(diǎn)和氣體釋放通道，多金屬之間的協(xié)同作用有效調(diào)整了體系中的電子結(jié)構(gòu)，大大提升了催化材料的本征催化活性。本工作為電沉積的應(yīng)用及硒基OER催化劑的設(shè)計提供了一種可行的策略。通訊作者：弓亞瓊，中北大學(xué)，教授，博導(dǎo)。主要從事功能化納米材料的設(shè)計及其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用 (電解水、 燃料電池等)。近年來，以第一作者/通訊作者在Applied Catalysis B: Environmental, Journal of Energy Chemistry, Journal of Materials Chemistry A， Applied Surface Science 等刊物發(fā)表SCI收錄論文50余篇，授權(quán)中國發(fā)明專利2項，主持國家自然科學(xué)基金青年項目，山西省重點(diǎn)研發(fā)國際合作項目等多項課題。第一作者：周天凝，中北大學(xué)碩士二年級研究生，主要研究方向為電催化材料的合成與性能研究。
