双金属浸出诱导催化剂重构用于高活性和高稳定性电化学水氧化

许文涛 莫栩妍 周洋 翁祖贤 莫坤玲 吴炎桦 蒋欣霖 李丹 蓝汤淇 文欢 郑伏琴 樊友军 陈卫

引用本文: 许文涛, 莫栩妍, 周洋, 翁祖贤, 莫坤玲, 吴炎桦, 蒋欣霖, 李丹, 蓝汤淇, 文欢, 郑伏琴, 樊友军, 陈卫. 双金属浸出诱导催化剂重构用于高活性和高稳定性电化学水氧化[J]. 物理化学学报, 2024, 40(8): 230800. doi: 10.3866/PKU.WHXB202308003 shu
Citation:  Wentao Xu, Xuyan Mo, Yang Zhou, Zuxian Weng, Kunling Mo, Yanhua Wu, Xinlin Jiang, Dan Li, Tangqi Lan, Huan Wen, Fuqin Zheng, Youjun Fan, Wei Chen. Bimetal Leaching Induced Reconstruction of Water Oxidation Electrocatalyst for Enhanced Activity and Stability[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(8): 230800. doi: 10.3866/PKU.WHXB202308003 shu

双金属浸出诱导催化剂重构用于高活性和高稳定性电化学水氧化

    通讯作者: 郑伏琴, fqzheng@mailbox.gxnu.edu.cn; 樊友军, youjunfan@mailbox.gxnu.edu.cn; 陈卫, weichen@gxnu.edu.cn
  • 基金项目:

    广西自然科学基金 2019GXNSFGA245003

    广西自然科学基金 2021GXNSFBA220058

    国家自然科学基金 22002026

    国家自然科学基金 22272036

    广西师范大学科研基金 GUIKE AD23026272

    广西师范大学科研基金 2022TD

摘要: 析氧反应(OER)催化剂在催化反应过程中不可避免地会发生表面重构,这一过程使得设计、构筑高性能和高稳定性的OER电催化剂充满挑战。在此,我们采用双金属浸出诱导表面重构的策略,构建了高活性和高稳定性的水氧化电催化剂。在该策略中,通过水热、离子交换和后续的退火工艺处理,将由α-CoMoO4、K2Co2(MoO4)3、Co3O4和CoFe2O4四种氧化物晶相组成的材料阵列转换为OER预催化剂。原位电化学拉曼光谱和非原位X射线衍射(XRD)分析表明,其中的不稳定成分K2Co2(MoO4)3的快速溶解引发了Mo和K的适度浸出,从而在低电压下加速表面富集的α-Co(OH)2向CoOOH活性相的转化。此外,CoFe2O4相耦合重构产生新相CoO与无定形层CoOOH,从而形成CoFe2O4@CoO@CoOOH紧密的多相结构,起到“纳米栅栏”的作用,可有效防止催化剂的过度重构,从而赋予重构后的催化剂优异的催化活性和稳定性。本工作为设计高电流密度下具有优异活性和稳定性的OER催化剂提供了新的思路。

English

    1. [1]

      Jia, Y.; Zhang, L.; Zhuang, L.; Liu, H.; Yan, X.; Wang, X.; Liu, J.; Wang, J.; Zheng, Y.; Xiao, Z.; et al. Nat. Catal. 2019, 2, 688. doi: 10.1038/s41929-019-0297-4

    2. [2]

      Zhao, X.; Ma, X.; Chen, B.; Shang, Y.; Song, M. Resour. Conserv. Recycl. 2022, 176, 105959. doi: 10.1016/j.resconrec.2021.105959

    3. [3]

      Dresselhaus, M. S.; Thomas, I. L. Nature 2001, 414, 332. doi: 10.1038/35104599

    4. [4]

      Su, Z.; Huang, Q.; Guo, Q.; Hoseini, S.; Zheng, F.; Chen, W. Nano Res. Energy 2023, 2, e9120078. doi: 10.26599/NRE.2023.9120078

    5. [5]

      Grimaud, A.; Diaz-Morales, O.; Han, B.; Hong, W. T.; Lee, Y. -L.; Giordano, L.; Stoerzinger, K. A.; Koper, M. T. M.; Shao-Horn, Y. Nat. Chem. 2017, 9, 457. doi: 10.1038/nchem.2695

    6. [6]

      McCoy, D. E.; Feo, T.; Harvey, T. A.; Prum, R. O. Nat. Commun. 2018, 9, 1. doi: 10.1038/s41467-017-02088-w

    7. [7]

      Xu, W.; Wu, K.; Wu, Y.; Guo, Q.; Fan, F.; Li, A.; Yang, L.; Zheng, F.; Fan, Y.; Chen, W. Electrochim. Acta 2023, 439, 141712. doi: 10.1016/j.electacta.2022.141712

    8. [8]

      Fan, F.; Huang, Q.; Devasenathipathy, R.; Peng, X.; Yang, F.; Liu, X.; Wang, L.; Chen, D.; Fan, Y.; Chen, W. Electrochim. Acta 2023, 437, 141514. doi: 10.1016/j.electacta.2022.141514

    9. [9]

      Guo, Y.; Park, T.; Yi, J. W.; Henzie, J.; Kim, J.; Wang, Z.; Jiang, B.; Bando, Y.; Sugahara, Y.; Tang, J. Adv. Mater. 2019, 31, 1807134. doi: 10.1002/adma.201807134

    10. [10]

      Fan, F.; Hui, Y.; Devasenathipathy, R.; Peng, X.; Huang, Q.; Xu, W.; Yang, F.; Liu, X.; Wang, L.; Fan, Y.; et al. J. Colloid Interface Sci. 2023, 636, 450. doi: 10.1016/j.jcis.2023.01.039

    11. [11]

      Zhang, B.; Zheng, X.; Voznyy, O.; Comin, R.; Bajdich, M.; García-Melchor, M.; Han, L.; Xu, J.; Liu, M.; Zheng, L.; et al. Science 2016, 352, 333. doi: 10.1126/science.aaf1525

    12. [12]

      Zhu, X.; Dou, X.; Dai, J.; An, X.; Guo, Y.; Zhang, L.; Tao, S.; Zhao, J.; Chu, W.; Zeng, X. C.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 12465. doi: 10.1002/anie.201606313

    13. [13]

      Zhao, Y.; Jia, X.; Chen, G.; Shang, L.; Waterhouse, G. I. N.; Wu, L. -Z.; Tung, C. -H.; O'Hare, D.; Zhang, T. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6517. doi: 10.1021/jacs.6b01606

    14. [14]

      Xu, Q.; Jiang, H.; Duan, X.; Jiang, Z.; Hu, Y.; Boettcher, S. W.; Zhang, W.; Guo, S.; Li, C. Nano Lett. 2021, 21, 492. doi: 10.1021/acs.nanolett.0c03950

    15. [15]

      Fabbri, E.; Nachtegaal, M.; Binninger, T.; Cheng, X.; Kim, B. -J.; Durst, J.; Bozza, F.; Graule, T.; Schäublin, R.; Wiles, L. Nat. Mater. 2017, 16, 925. doi: 10.1038/nmat4938

    16. [16]

      Ren, X.; Wei, C.; Sun, Y.; Liu, X.; Meng, F.; Meng, X.; Sun, S.; Xi, S.; Du, Y.; Bi, Z.; et al. Adv. Mater. 2020, 32, 2001292. doi: 10.1002/adma.202001292

    17. [17]

      Bai, J.; Mei, J.; Liao, T.; Sun, Q.; Chen, Z. -G.; Sun, Z. Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2103247. doi: 10.1002/aenm.202103247

    18. [18]

      Xiong, L.; Qiu, Y.; Peng, X.; Liu, Z.; Chu, P. K. Nano Energy 2022, 104, 107882. doi: 10.1016/j.nanoen.2022.107882

    19. [19]

      Guo, Y.; Tang, J.; Wang, Z.; Sugahara, Y.; Yamauchi, Y. Small 2018, 14, 1802442. doi: 10.1002/smll.201802442

    20. [20]

      Lai, C.; Li, H.; Sheng, Y.; Zhou, M.; Wang, W.; Gong, M.; Wang, K.; Jiang, K. Adv. Sci. 2022, 9, 2105925. doi: 10.1002/advs.202105925

    21. [21]

      Lei, S.; Li, Q. -H.; Kang, Y.; Gu, Z. -G.; Zhang, J. Appl. Catal. B 2019, 245, 1. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.12.036

    22. [22]

      Yang, Z.; Yang, H.; Shang, L.; Zhang, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202113278. doi: 10.1002/anie.202113278

    23. [23]

      Zhao, J.; Ren, X.; Han, Q.; Fan, D.; Sun, X.; Kuang, X.; Wei, Q.; Wu, D. Chem. Commun. 2018, 54, 4987. doi: 10.1039/C8CC01002A

    24. [24]

      Zhao, Y.; Wen, Q.; Huang, D.; Jiao, C.; Liu, Y.; Liu, Y.; Fang, J.; Sun, M.; Yu, L. Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203595. doi: 10.1002/aenm.202203595

    25. [25]

      Zheng, W.; Liu, M.; Lee, L. Y. S. ACS Catal. 2020, 10, 81. doi: 10.1021/acscatal.9b03790

    26. [26]

      Costa, R. K. S.; Teles, S. C.; Siqueira, K. P. F. Chem. Pap. 2021, 75, 237. doi: 10.1007/s11696-020-01294-z

    27. [27]

      Kim, H. -J.; Kim, D.; Jung, S.; Bae, M. -H.; Yun, Y. J.; Yi, S. N.; Yu, J. -S.; Kim, J. -H.; Ha, D. H. J. Raman Spectrosc. 2018, 49, 1938. doi: 10.1002/jrs.5476

    28. [28]

      Cai, M.; Zhu, Q.; Wang, X.; Shao, Z.; Yao, L.; Zeng, H.; Wu, X.; Chen, J.; Huang, K.; Feng, S. Adv. Mater. 2023, 35, 2209338. doi: 10.1002/adma.202209338

    29. [29]

      Chen, M.; Kitiphatpiboon, N.; Feng, C.; Zhao, Q.; Abudula, A.; Ma, Y.; Yan, K.; Guan, G. Appl. Catal. B 2023, 330, 122577. doi: 10.1016/j.apcatb.2023.122577

    30. [30]

      Fettkenhauer, C.; Wang, X.; Kailasam, K.; Antonietti, M.; Dontsova, D. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 21227. doi: 10.1039/C5TA06304C

    31. [31]

      Fan, K.; Zou, H.; Lu, Y.; Chen, H.; Li, F.; Liu, J.; Sun, L.; Tong, L.; Toney, M. F.; Sui, M.; et al. ACS Nano 2018, 12, 12369. doi: 10.1021/acsnano.8b06312

    32. [32]

      Morozan, A.; Jégou, P.; Jousselme, B.; Palacin, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 21600. doi: 10.1039/C1CP23199E

    33. [33]

      Tachikawa, T.; Beniya, A.; Shigetoh, K.; Higashi, S. Catal. Lett. 2020, 150, 1976. doi: 10.1007/s10562-020-03105-2

    34. [34]

      Tao, H. B.; Xu, Y.; Huang, X.; Chen, J.; Pei, L.; Zhang, J.; Chen, J. G.; Liu, B. Joule 2019, 3, 1498. doi: 10.1016/j.joule.2019.03.012

    35. [35]

      Parsons, R. Trans. Faraday Soc. 1958, 54, 1053. doi: 10.1039/TF9585401053

    36. [36]

      Seh, Z. W.; Kibsgaard, J.; Dickens, C. F.; Chorkendorff, I.; Nørskov, J. K.; Jaramillo, T. F. Science 2017, 355, eaad4998. doi: 10.1126/science.aad4998

    37. [37]

      Luan, R. -N.; Lv, Q. -X.; Li, Y. -Y.; Xie, J. -Y.; Li, W. -J.; Liu, H. -J.; Lv, R. -Q.; Chai, Y. -M.; Dong, B. Int. J. Hydrog. Energy 2023, 48, 25730. doi: 10.1016/j.ijhydene.2023.03.010

    38. [38]

      Wang, Y.; Jiao, Y.; Yan, H.; Yang, G.; Tian, C.; Wu, A.; Liu, Y.; Fu, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202116233. doi: 10.1002/anie.202116233

    39. [39]

      Liu, D.; Ai, H.; Li, J.; Fang, M.; Chen, M.; Liu, D.; Du, X.; Zhou, P.; Li, F.; Lo, K. H.; et al. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2002464. doi: 10.1002/aenm.202002464

    40. [40]

      Zheng, L.; Ye, W.; Zhao, Y.; Lv, Z.; Shi, X.; Wu, Q.; Fang, X.; Zheng, H. Small 2023, 19, 2205092. doi: 10.1002/smll.202205092

    41. [41]

      Ma, L.; Chen, S.; Li, H.; Ruan, Z.; Tang, Z.; Liu, Z.; Wang, Z.; Huang, Y.; Pei, Z.; Zapien, J. A.; et al. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 2521. doi: 10.1039/C8EE01415A

    42. [42]

      Choi, J.; Kim, D.; Hong, S. J.; Zhang, X.; Hong, H.; Chun, H.; Han, B.; Lee, L. Y. S.; Piao, Y. Appl. Catal. B 2022, 315, 121504. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121504

    43. [43]

      Liu, X.; Meng, J.; Ni, K.; Guo, R.; Xia, F.; Xie, J.; Li, X.; Wen, B.; Wu, P.; Li, M.; et al. Cell Rep. Phys. Sci. 2020, 1, 100241. doi: 10.1016/j.xcrp.2020.100241

    44. [44]

      Wang, Y.; Ma, J.; Wang, J.; Chen, S.; Wang, H.; Zhang, J. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1802939. doi: 10.1002/aenm.201802939

    45. [45]

      Yang, X.; Zhang, H.; Yu, B.; Liu, Y.; Xu, W.; Wu, Z. Energy Technol. 2022, 10, 2101010. doi: 10.1002/ente.202101010

    46. [46]

      Himeno, S.; Niiya, H.; Ueda, T. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1997, 70, 631. doi: 10.1246/bcsj.70.631

    47. [47]

      Nasri, R.; Larbi, T.; Amlouk, M.; Zid, M. F. J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2018, 29, 18372. doi: 10.1007/s10854-018-9951-x

    48. [48]

      Yu, X.; Araujo, R. B.; Qiu, Z.; Campos dos Santos, E.; Anil, A.; Cornell, A.; Pettersson, L. G. M.; Johnsson, M. Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2103750. doi: 10.1002/aenm.202103750

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  361
  • HTML全文浏览量:  38
文章相关
  • 发布日期:  2024-08-15
  • 收稿日期:  2023-08-01
  • 接受日期:  2023-09-22
  • 修回日期:  2023-09-22
  • 网络出版日期:  2023-10-09
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章