宁波材料所杨明辉研究员:高活性/长寿命/低成本的介孔金属氮化物OER催化剂

Mesoporous Ternary Nitrides of Earth-Abundant Metals as Oxygen Evolution Electrocatalyst

Ali Saad, Hangjia Shen, Zhixing Cheng, Ramis Arbi, Beibei Guo, Lok ShuHui, Kunyu Liang, Siqi Liu, John Paul Attfield, Ayse Turak*, Jiacheng Wang*, Minghui Yang*

Nano-Micro Lett.(2020)12:79

https://doi.org/10.1007/s40820-020-0412-8

本文亮点

1. 采用硬模板法和热氮化的方法制备了三维介孔Ni3FeN

2. Ni3FeN电化学析氧反应性能测试结果显示,该材料达到10 mA/cm2仅需过电位为259 mV;

3. 作为可充锌空电池电极时,Ni3FeN表现出比RuO2更低的充电电压和更长的使用寿命。

内容简介

随着可持续能源成为现代社会关注的主要问题,可再生能源和清洁能源系统需要高效、稳定和低成本的催化剂来推动电化学析氧反应(OER)。介孔材料是制备具有高传质能力的高效电催化剂的理想途径。在此,本研究报告了一种设计和合成三维(3-D)介孔三元镍铁氮化物(Ni3FeN)的有效的硬模板方法。制备的电催化剂在碱性溶液中具有良好的催化性能:低过电位(259 mV 达到 10 mA/cm2)和小的Tafel斜率(54 mV/dec),比IrO2和RuO2催化剂具有更好的性能。高活性接触面积、分级孔隙度和双金属原子的协同作用有助于改善OER的电催化性能。在可充电的锌空电池中,介孔Ni3FeN比RuO2具有更低的充电电压和更长的使用寿命。该研究为合成能源相关器件的高效OER电催化剂开辟了一条新的研究思路。

研究背景

电化学析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)是各类清洁绿色能源存储与转换装置(如电解水器件与金属-空气电池)中的关键过程之一。然而受限于OER缓慢的动力学反应速率及较高的反应过电势,电化学器件效率的提高仍依赖于高效电催化剂的开发。传统贵金属氧化物,如氧化钌(RuO2)和氧化铱(IrO2)虽具有优异的电催化OER活性,但是其高成本严重限制了该类贵金属催化剂的推广应用。因此,开发具有高活性、长寿命、低成本的催化剂对于OER及其相关技术的发展至关重要。近年来,金属氮化物及其衍生的纳米材料在该研究领域受到了极大关注。
图文导读

I 形貌结构表征

采用硬模板法与热氮化相结合的策略,制备具有有序介孔的双金属Ni3FeN。如图1所示,首先通过硬模板法得到金属氧化物前驱体,然后热解除并去SiO2模板得到介孔氧化物,经过热氮化得到介孔的Ni3FeN。从XRD和TEM照片均可以观察到均匀分布的介孔(图2所示)。此外, XPS测试对双金属氮化物催化剂中各元素的化学价态进行了分析(图3所示)。

图1. 以纳米铸造工艺制备有序介孔双金属Ni3FeN的示意图。

图2.(a,b)材料的广角和小角XRD图谱;(c)KIT-6,(d)NiO,(e)Ni3FeOx,(f)Ni3N的TEM图;(g,h)Ni3FeN的TEM和HRTEM图。
图3.(a)Ni 2p,(b)Fe 2p,(c)N1s和(d)O 1s的高分辨XPS谱图。
II OER活性表征

制备的介孔Ni3FeN的过电位和Tafel斜率均低于其它样品,在电流密度达到10 mA/cm2时比RuO2低了63 mV(图4);进一步的测试结果表明该材料具有高的电化学活性面积和良好的稳定性(图5)。

图4.(a)OER极化曲线;(b)不同材料修饰电极电流密度达到10 mA/cm2时,过电位对比;(c)Tafel斜率;(d)材料修饰电极的电化学阻抗谱。

图5. (a)Ni3FeN修饰电极在扫速为20,40,60,80,100 mV/s时的循环伏安图;(b)在0.12 V时的NiO、Ni3N、IrO2、Ni3FeOx和Ni3FeN催化剂电容电流相对扫描速率作函数图;(c)过电位为 370 mV 时的恒电压变化曲线(插图为循环伏安扫描2000圈前后催化剂的极化曲线对比);(d)最近报道的氮化物与介孔Ni3FeN电催化性能对比(Tafel斜率和电流密度达到10 mA/cm2的过电位)。

 锌-空气电池性能测试

Ni3FeN与FePc按比例混合用于锌空电池其充电性能比Pt/C+RuO2更佳(图6)。同时Ni3FeN+FePc展示了优异的循环稳定性,甚至在70 h后仍能保持稳定,比Pt/C+RuO2 (~20 h)的循环稳定时间长得多。而且,Ni3FeN的充电电压始终低于RuO2的充电电压,随着时间的推移略有衰减。经过20 h的充放电循环后,Ni3FeN的充电电压仅为2.05 V,远远小于RuO2的2.36 V。

图6. (a)以Ni3FeN为空气阴极的锌-空气电池示意图;(b)充电极化曲线图;(c,d)电流密度为10 mA/cm2 的充放电循环。
作者简介

明辉

研究员 博士生导师

中国科学院宁波材料技术与工程研究所

固体功能材料研究团队负责人

主要研究领域

主要集中在固体功能材料的设计、合成、晶体结构解析,形貌控制和应用研究,代表工作包括发现氮、氧在固体材料中的cis排列,固相分离法制备介孔氮化物和金属氮(氧)化物在催化和传感等方面的应用

主要研究成果

2014年获得辽宁省百千万工程人才计划(万人层次),2015年获得中国科学院沈阳分院优秀青年科学家,2016年获得浙江省海外高层次人才引进计划支持,2017年获得宁波市领军拔尖人才(第一层次),作为项目负责人获得宁波市3315创新团队B类支持,2019年获得浙江省杰出青年基金支持,并同年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。在Nature Materials, Nature Chemistry, Journal of the American Chemical Society, Energy& Environmental Science, ACS Nano等杂志上发表文章161篇(其中通讯或第一作者文章132篇),申请发明专利36项(其中已经授权中国发明专利6项、PCT国际专利1项)。

Email: myang@nimte.ac.cn
课题组主页: 

https://myang.nimte.ac.cn/

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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