基于尖晶石型混合金属钴矿的高效析氧电催化性能

陶磊明 郭鹏虎 朱伟玲 李天乐 周贤太 傅永庆 余长林 纪红兵

引用本文: 陶磊明,  郭鹏虎,  朱伟玲,  李天乐,  周贤太,  傅永庆,  余长林,  纪红兵. 基于尖晶石型混合金属钴矿的高效析氧电催化性能[J]. 催化学报, 2020, 41(12): 1855-1863. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63638-5 shu
Citation:  Leiming Tao,  Penghu Guo,  Weiling Zhu,  Tianle Li,  Xiantai Zhou,  Yongqing Fu,  Changlin Yu,  Hongbing Ji. Highly efficient mixed-metal spinel cobaltite electrocatalysts for the oxygen evolution reaction[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(12): 1855-1863. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63638-5 shu

基于尖晶石型混合金属钴矿的高效析氧电催化性能

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21938001,21576302,21878344和201961160741);国家自然科学基金委-中国石化股份公司石油化工联合基金(U1663220);广东省重点研发计划(2019B110206002);广东省教育厅特色创新项目(2018KTSCX144,2016KTSCX087);广东珠江人才计划地方创新研究团队项目(2017BT01C102);广东省高校珠江学者计划(2019);广东普通高校重点项目<自然>(2019KZDXM010);广东省基础与应用基础研究基金(2019A1515011249);广东石油化工学院自然科学基金科研基金(2019rc019,2019rc053);英国工程与物理科学研究委员会(EPSRC)提供资助(EP/P018998/1);英国皇家学会和中国国家自然科学基金委员会的牛顿交流基金(IE161019).

摘要: 尖晶石钴矿(例如ACo2O4,其中A=Mn,Fe,Co,Ni,Cu或Zn的阳离子取代)是一种精确调控其电子结构/性质,并因此改善相应的电催化水分解析氧(OER)性能的有前途的策略.然而,有关它的基本原理和机制尚未完全理解.为了确定尖晶石氧化物在OER中的作用,已有实验和理论报道.例如,Prabu发现Ni3+离子取代NiCo2O4的八面体位点可以显着提高OER性能;Hutchings报道OER性能提高源自Co3O4八面体Co3+的活性位;Wei研究发现MnCo2O4八面体位置的Mn3+离子是OER的活性位点.尽管多数研究没有对此给出清晰的解释,但这些研究清楚地表明,尖晶石氧化物对OER的电催化性能在很大程度上取决于过渡金属阳离子(A)的化合价态及其在尖晶石结构中的相应位点分布.本文旨在合成具有同种形貌的尖晶石ACo2O4混合金属有机骨架(MMOFs)材料,通过A位引入外层d电子数从5到10的过渡金属元素,如Mn,Fe,Co,Ni,Cu和Zn,系统研究催化水分解析氧机理.基于实验详细分析了不同阳离子的取代和其OER的催化行为,在获得的六种尖晶石ACo2O4催化剂中,FeCo2O4催化剂在碱性溶液中具有出色的OER性能和稳定性,其在电流密度10mA·cm-2的超电势下164mV.催化剂的电荷传输性能与离子和空位扩散的跳跃率密切相关.我们使用密度泛函理论计算阳离子在ACo2O4晶体中的扩散以及扩散的活化能,并且计算过程考虑自旋的激发能.使用VASP的搜索过渡态方法(NEB-DMTS)确定离子扩散的最小能量反应路径.结果表明,尖晶石钴矿ACo2O4晶格中的Fe取代可以显著加速电荷转移,从而获得增强的电化学性能.由第一性原理计算Fe阳离子通过四面体-三角平面-八面体路径扩散,具有0.4eV的活化能和0.5eV的能量以形成八面体中间体.当它跳跃时,阳离子(Fe)分别在过渡态和四面体鞍点(亚稳态)下从+1.82的Bader电荷增加到+2.82和+2.83的电荷,这表明扩散的Fe在不同的位置具有的相应的价态.根据晶体场理论,通过八面体位置偏好能量(OSPE)是用于判断阳离子占据八面体或四面体的位置,其被定义为占据八面体和四面体的晶体场能量(CFSE)差.OSPE的顺序依次是Ni2+ > Ni3+ > Mn3+ > Fe2+ > Co3+ > Co2+ > Fe3+ > Mn2+ > Cu2+ > Zn2,由于Fe(II)、Co(II)和Ni(II)的OSPE值大于Co(III)的OSPE值,这三种阳离子在四面体可以与八面体Co(III)发生交换.对Fe(II)离子,研究发现Fe(Td)↔Co(Oh)交换很容易进行,Fe既可以占据八面体又可以占据四面体,所以FeCo2O4为复合尖晶石结构,可以从ACo2O4晶体的X射线吸收光谱法获得阳离子A的价态和分布证实.更深入研究发现尖晶石ACo2O4的晶体场,不仅决定A位阳离子的价态,同时影响这些尖晶石钴矿OER性能的关键因素.

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    1. [1] C. C. L. McCrory, S. Jung, I. M. Ferrer, S. M. Chatman, J. C. Peters, T. F. Jaramillo, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 4347-4357.

    2. [2] G. Chen, J. Du, X. Wang, X. Shi, Z. Wang, H.-P. Liang, Chin. J. Catal., 2019, 40, 1540-1547.

    3. [3] X. Sun, Chin. J. Catal., 2019, 40, 1405-1407.

    4. [4] J. Li, Q. Zhuang, P. Xu, D. Zhang, L. Wei, D. Yuan, Chin. J. Catal., 2018, 39, 1403-1410.

    5. [5] M. Mahdavi, M. B. Ahmad, M. J. Haron, F. Namvar, B. Nadi, M. Z. A. Rahman, J. Amin, Molecules, 2013, 18, 7533-7548.

    6. [6] M. Liu, A. Jain, Z. Rong, X. Qu, P. Canepa, R. Malik, G. Ceder, K. A. Persson, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 3201-3209.

    7. [7] Z. Wang, P. K. Nayak, J. A. Caraveo-Frescas, H. N. Alshareef, Adv. Mater., 2016, 28, 3831-3892.

    8. [8] T. Tatarchuk, M. Bououdina, J. Judith Vijaya, L. John Kennedy, Springer International Publishing, Cham, 2017, 305-325.

    9. [9] R. J. Hill, J. R. Craig, G. V. Gibbs, Phys. Chem. Miner., 1979, 4, 317-339.

    10. [10] Y.-T. Lu, Y.-J. Chien, C.-F. Liu, T.-H. You, C.-C. Hu, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 21016-21026.

    11. [11] C. C. L. McCrory, S. H. Jung, J. C. Peters, T. F. Jaramillo, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 16977-16987.

    12. [12] C. L. Muhich, V. J. Aston, R. M. Trottier, A. W. Weimer, C. B. Musgrave, Chem. Mater., 2016, 28, 214-226.

    13. [13] F. Cheng, J. Shen, B. Peng, Y. Pan, Z. Tao, J. Chen, Nature Chemistry, 2010, 3, 79.

    14. [14] T. Wang, Y. Sun, Y. Zhou, S. Sun, X. Hu, Y. Dai, S. Xi, Y. Du, Y. Yang, Z. J. Xu, ACS Catal., 2018, 8, 8568-8577.

    15. [15] Yiliguma, Z. Wang, W. Xu, Y. Wang, X. Cui, A. M. Al-Enizi, Y. Tang, G. Zheng, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 7416-7422.

    16. [16] T. H. Lim, S. B. Park, J. M. Kim, D. H. Kim, J. Mol. Catal. A, 2017, 426, 68-74.

    17. [17] C. Wei, Z. X. Feng, G. G. Scherer, J. Barber, Y. Shao-Horn, Z. C. J. Xu, Adv. Mater., 2017, 29, 1606800.

    18. [18] X. Liu, Z. Chang, L. Luo, T. Xu, X. Lei, J. Liu, X. Sun, Chem. Mater., 2014, 26, 1889-1895.

    19. [19] M. Prabu, K. Ketpang, S. Shanmugam, Nanoscale, 2014, 6, 3173-3181.

    20. [20] G. S. Hutchings, Y. Zhang, J. Li, B. T. Yonemoto, X. Zhou, K. Zhu, F. Jiao, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 4223-4229.

    21. [21] J. Zhao, F. Wang, P. Sun, M. Li, J. Chen, Q. Yang, C. Li, J. Mater. Chem., 2012, 22, 13328-13333.

    22. [22] T. Shinagawa, A. T. Garcia-Esparza, K. Takanabe, Sci. Rep., 2015, 5, 13801.

    23. [23] S. Zhao, Y. Wang, J. Dong, C.-T. He, H. Yin, P. An, K. Zhao, X. Zhang, C. Gao, L. Zhang, J. Lv, J. Wang, J. Zhang, A. M. Khattak, N. A. Khan, Z. Wei, J. Zhang, S. Liu, H. Zhao, Z. Tang, Nature Energy, 2016, 1, 16184.

    24. [24] A. J. Bard, L. R. Faulkner, J. Chem. Educ., 2001, 60, 80-89.

    25. [25] J. P. Singh, R. N. Singh, J. New Mater. Electrochem. Syst., 2000, 3, 137-146.

    26. [26] S. Gao, Y. Lin, X. C. Jiao, Y. F. Sun, Q. Q. Luo, W. H. Zhang, D. Q. Li, J. L. Yang, Y. Xie, Nature, 2016, 529, 68-+.

    27. [27] B. Iandolo, B. Wickman, B. Seger, I. Chorkendorff, I. Zorić, A. Hellman, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 1271-1275.

    28. [28] G. Kresse, J. Furthmüller, Phys. Rev. B, 1996, 54, 11169-11186.

    29. [29] G. Kresse, D. Joubert, Phys. Rev. B, 1999, 59, 1758-1775.

    30. [30] J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 1996, 77, 3865-3868.

    31. [31] S. L. Dudarev, G. A. Botton, S. Y. Savrasov, C. J. Humphreys, A. P. Sutton, Phys. Rev. B, 1998, 57, 1505-1509.

    32. [32] F. Li, Z. Sun, S. Luo, L.-S. Fan, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 876-880.

    33. [33] L. Yuan, Y. Wang, R. Cai, Q. Jiang, J. Wang, B. Li, A. Sharma, G. Zhou, Mater. Sci. Eng., 2012, 177, 327-336.

    34. [34] R. Pornprasertsuk, P. Ramanarayanan, C. B. Musgrave, F. B. Prinz, J. Appl. Phys., 2005, 98, 103513.

    35. [35] M. Asnavandi, Y. Yin, Y. Li, C. Sun, C. Zhao, ACS Energy Lett., 2018, 3, 1515-1520.

    36. [36] K. Liang, L. Guo, K. Marcus, S. Zhang, Z. Yang, D. E. Perea, L. Zhou, Y. Du, Y. Yang, ACS Catal., 2017, 7, 8406-8412.

    37. [37] R. G. Burns, Mineralogical Applications of Crystal Field Theory, Cambridge University Press, 1993.

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  • 收稿日期:  2020-03-11
  • 修回日期:  2020-04-14
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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