杨瑞枝团队AFM:单层NiV LDH上V空位锚定Ce单原子,加速水分解动力学

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电解水制氢作为一种环保、高效的能量转换和存储技术,对于缓解全球能源危机和环境问题具有重要意义。在该反应体系中,析氧反应(OER)由于涉及多步质子和电子转移过程而表现出缓慢的动力学,这限制了电解水产氢的整体效率。

目前,多金属(氧)氢氧化物(如NiFe LDH、WCoFe羟基氧化物和NiFeMo羟基氧化物等)和高成本的贵金属基纳米结构催化剂已被报道作为碱性和/或酸性OER的通用基准电催化剂。

然而,这些催化剂的稀缺性、低选择性和较差的稳定性限制了它们的大规模应用。因此,目前迫切需要开发廉价、高效、稳定的电解水催化剂。

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近日,苏州大学杨瑞枝课题组通过一步水热法在单层NiV LDH载体的V空位上锚定高负载量的Ce单原子(Ce SAs/m-NiV LDH),并且对其电催化行为进行了研究。

电化学性能测试结果表明,所制备的Ce SAs/m-NiV LDH催化剂具有优异的OER活性,其在10和100 mA cm−2电流密度下的过电位分别为209和290 mV,Tafel斜率低至50.7 mV dec−1,由于相应条件下的NiV LDH(291和380 mV,88.7 mV dec−1),表明Ce单原子的锚定有利于加速OER反应动力学。

此外,利用Ce SAs/m-NiV LDH和商业Pt/C分别作为阴极和阳极组装的电解槽在10和50 mA cm−2处的电池电压分别为1.47和1.53 V,并且表现出优异的稳定。

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实验结果和理论计算表明,NiV LDH具有典型的半导体特性,在费米能级附近存在带隙,Ce单原子的引入有效地缩小了带隙,增强了费米能级附近的态密度,有利于加速电荷转移,表现出较高的电子导电性。

此外,OH在催化剂表面的吸附能是反映催化剂活性的重要指标,有利的OH吸附可以加速OER过程,提高催化剂活性。与NiV LDH的Ni位点(EOH−=−2.54 eV)和V位点(EOH−=−2.66 eV)相比,Ce SAs/m-NiV LDH的Ce位点上的OH吸附具有较低的EOH−=−2.93 eV,即OH分子在Ce位点上的吸附趋势强于Ni和V位点。

综上,Ce单原子的引入使得单层NiV LDH与Ce单原子之间产生了强烈的电子相互作用,有利于缩小带隙,增强费米能级附近的态密度,以及更容易吸附OH,从而提高了催化性能。

Atomically dispersed cerium sites immobilized on vanadium vacancies of monolayer nickel-vanadium layered double hydroxide: Accelerating water splitting kinetics. Advanced Functional Materials, 2023DOI: 10.1002/adfm.20230853003



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