近日,太原理工大学郭俊杰教授团队在电催化析氧反应(OER)领域取得研究进展,在催化顶级期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy发表题为“Directed electron transport induced surface reconstruction of 2D NiFe-LDH/Stanene heterojunction catalysts for efficient oxygen evolution”的研究论文。该论文的第一署名单位为太原理工大学,第一作者是硕士研究生卢泽,通讯作者是新材料界面科学与工程教育部重点实验室郭俊杰教授、赵敏副教授和梁浩杰助理研究员。
电解水制氢对解决当下能源紧缺和环境污染问题具有重要意义,其中阳极发生的析氧反应(OER)是限制电解水活性的主要因素。NiFe基层状双氢氧化物(NiFe-LDH)催化剂被广泛应用于OER中,经原位重构形成的高氧化态Ni/Fe羟基氧化物是OER主要的活性位点。为促进高氧化态Ni/Fe羟基氧化物的形成,本工作将二维锡烯嵌入NiFe-LDH和泡沫镍(NF)之间,构筑新型二维NiFe-LDH/stanene p-n结催化剂。结合原位Raman、XPS、莫特肖特基测试、开尔文探针力显微镜、DFT理论计算等手段,证明锡烯不仅有利于内建电场的构建,而且还可以作为电子吸收剂诱导电子从Ni、Fe到Sn的定向传输,从而促进表面重构形成具有催化活性的Ni/FeOOH。
图1 2D NiFe-LDH/Sn NSs异质结构催化剂的制备及形貌
在界面处的内部电场驱动下,2D NiFe-LDH/Sn NSs异质结构活性位点数量增加,电子转移增强,从而提高了其反应动力学。催化剂在100 mA cm-2下实现了超低OER过电势(230 mV),与单独的NiFe-LDH和锡烯相比,分别降低了22.3%和42.1%。
图2 2D NiFe-LDH/Sn NSs在碱性溶液中OER催化活性研究
在这项工作中,将二维锡烯嵌入NiFe-LDH与泡沫镍基底之间,制备了2D NiFe-LDH/Sn NSs p-n异质结构催化剂。p型锡烯与n型LDH接触构筑的内建电场能加速电子定向传输,从而诱导表面重构,形成高价态的NiFe羟基氧化物。催化剂表现出优异的OER活性和稳定性,以及卓越的全解水性能。该研究为高效低能耗的锡烯基电催化剂的合理设计提供了新思路。