胡劲松Nano Research:FeCo LDH@Co3O4阵列实现高速率水氧化

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工业水电解槽通常在高电流密度下运行,需要大量且持久的活性位点参与。因此,合理设计分级结构的电催化剂对于工业水电解槽至关重要。基于此,中科院化学研究所胡劲松研究员(通讯作者)等人报道了一种Fe3+诱导的纳米化策略,并制备了分层FeCo LDH@Co3O4(LDH:层状双氢氧化物)纳米结构阵列,用于高速率水氧化。FeCo LDH@Co3O4电极在工业级电流密度为1000 mA·cm-2下,水氧化过电位为392 mV。当组装在水电解槽中时,它在1.61 V的低工作电压下提供100 mA·cm-2的电流密度;当采用太阳能供电时,具有18.15%的高太阳能制氢效率和稳定的可重复性光响应。

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DFT模拟表明,在LDH层中引入具有小离子半径和高电斥力的Fe3+扭曲了LDH层,导致纳米片尺寸减小,并能够形成分层结构。如果没有Fe3+阳离子的参与,则无法实现这种结构。当将Fe3+盐浓度从0.5 mmol降低到0.3 mmol时,FeCo LDH生长成更大的纳米片。此外,当仅添加Co盐作为金属源(不添加Fe3+盐)时,Co LDH会以大纳米片的形式生长在原始Co3O4阵列上方,形成顶层。

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为了解LDH纳米片的Fe3+诱导纳米尺寸效应的形成机制,作者模拟了Fe3+掺杂和未掺杂的Co氢氧化物层结构(Fe-Co(OH)2和Co(OH)2)。由于静态排斥,M离子被M位点原子隔离,因此禁止在LDH层内形成Fe3+-O- Fe3+基序。在建模中,每个Fe八面体都被六个钴八面体包围。

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Constructing hierarchical nanosheet-on-microwire FeCo LDH@Co3O4 arrays for high-rate water oxidation. Nano Res., 2022, DOI: 10.1007/s12274-022-5094-8.

https://doi.org/10.1007/s12274-022-5094-8.



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