扬州大学ACB ‖ Fe-Ni基纳米粒子析氧反应的表面结构调控

文章背景

碱性电解质中，一些由过渡金属基材料衍生的非贵金属催化剂甚至表现出比贵金属催化剂更高的OER催化活性,在候选催化剂中，铁镍基合金催化剂以其高效的协同作用和丰富的地球特性而得到了广泛的研究和关注。

Fe-Ni在催化剂体系中的协同作用是由于邻近Fe原子的掺入引起表面Ni原子的电子结构修饰，从而与含氧OER中间体产生适当的相互作用强度。

大多数FeNi合金以体态或杂化化合物的形式进行OER评估，它们的OER性能在不同情况下有很大差。在催化过程中，随着电化学循环的增加，近表面金属氧/氢氧化物的数量增加。

由于此类氧化物表面的重要作用，人们开始关注热退火诱导的氧化物表面，以实现更活跃的位点形成和暴露。

同时，三元镍铁钴催化剂在氧化条件下加热时具有稳定的OER活性，而二元镍铁催化剂在氧化热处理后出现了明显的性能失活。

表面氧化/还原状态及其与OER性能的相关性尚未被报道。对这一问题的关注可能有助于理解结构-活性关系，以及活性位点在OER中的重要性。

这一结果可以解释用不同方法制备或报道的FeNi催化剂性能不同的原因。

扬州大学冯立纲课题组等人采用简单可控的低温O2蚀刻和H2还原的策略来调整FeNi预催化剂的表面化学状态。利用光谱技术对其晶体结构和表面化学状态演变进行了研究，以了解其电化学性能。

发现完全氧化的FeNi作为金属氧化物和完全还原的FeNi作为金属合金对OER无活性。也就是说，只有金属氧化物与表面金属态的协同化学状态才能有效催化反应。

目前的研究结果可以回答不同方法制备的FeNi预催化剂的不同性能，简单的表面结构优化将是提高其性能和有效制备催化剂的有效策略。

结果与讨论

图2是催化剂的形貌表征，在透射电镜下可以原始FeNi样品(FeNi-P)的纳米粒子直径约为120 nm，在高分辨率透射电镜(HRTEM)中FeNi₃的(111)面晶格间距为0.204 nm。

FeNi-O样品在空气中热氧化后，仍能观察到纳米粒子的形貌，但由于氧的表面刻蚀，表面变得粗糙。HRTEM清晰地显示在FeNi-O/H纳米颗粒边缘有一层约3 nm的缺陷层，这可能是在表面还原过程中形成的。

图3是催化剂的OER性能表征，在1 M KOH碱性环境下，FeNi-O/H表现出最好的OER活性。10 mA cm^-2电流密度时过电位仅有230 mV。Tafel斜率为48.2 mV dec^-1。并且具有最小的电化学转移电阻。

图4是FeNi-O/H的循环稳定测试，经过20 h测试之后，电流密度基本没有变化 。 

总之，只有适当的金属氧化物与表面金属态的协同作用才能有效催化OER反应，即完全氧化或金属态的偏转表面结构是不够的。

不同的催化性能与晶体结构和表面化学状态的变化有关，一些光谱技术和电化学测量证实了这一点。此外，优化后的催化剂具有较高的粗糙度和电化学表面积，具有较高的催化稳定性和更快的催化动力学。

目前的研究结果可以解释FeNi预催化剂在OER中不同的催化性能，而简单的表面结构优化将是提高其性能的有效策略。

Gu X, Liu Z, Li M, et al. Surface structure regulation and evaluation of FeNi-based nanoparticles for oxygen evolution reaction. Applied Catalysis B: Environmental, 2021: 120462.

本文所有内容文字、图片和音视频资料，版权均属科学指南针网站所有，任何媒体、网站或个人未经本网协议授权不得以链接、转贴、截图等任何方式转载。