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?港理工JACS: β-Ni(OH)2表面重構(gòu): 一種強(qiáng)化OER的自激活過程

?港理工JACS: β-Ni(OH)2表面重構(gòu): 一種強(qiáng)化OER的自激活過程
催化劑的性能取決于催化劑表面的原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu),其在催化過程中的行為直接影響催化劑的有效反應(yīng)位點(diǎn)和相關(guān)活性。作為一個(gè)典型,析氧反應(yīng)(OER)的高度氧化環(huán)境可以導(dǎo)致各種催化劑表面的動(dòng)態(tài)重構(gòu),形成更活躍的或惰性物種,這顯著影響OER活性。因此,在OER過程中探測(cè)這種重構(gòu)行為對(duì)于確定真正的活性物種和相關(guān)的催化機(jī)制是必要的。傳統(tǒng)的表征技術(shù)只能檢測(cè)到不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)重組,而忽略了所有只能通過原位檢測(cè)的中間過程和可逆過程。目前的原位顯微鏡和光譜技術(shù)可以揭示OER過程中的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和成鍵演化,但由于液體電解質(zhì)的存在,導(dǎo)致空間分辨率降低,這限制了對(duì)于催化機(jī)理理解和催化劑性能優(yōu)化。
?港理工JACS: β-Ni(OH)2表面重構(gòu): 一種強(qiáng)化OER的自激活過程
?港理工JACS: β-Ni(OH)2表面重構(gòu): 一種強(qiáng)化OER的自激活過程
近日,香港理工大學(xué)朱葉課題組揭示了在OER過程中優(yōu)先發(fā)生在β-Ni(OH)2催化劑邊緣面上的納米尺度表面重構(gòu)過程。為了更好地說明3d過渡金屬氫氧化物在更小尺度上的催化機(jī)制,利用高分辨率異位透射電子顯微鏡(TEM),結(jié)合operando技術(shù),來研究重構(gòu)過程的中間態(tài)。將此策略應(yīng)用于具有明確界面的單晶β-Ni(OH)2,可以觀察到β-NiOOH為活性種,邊緣面為活性位點(diǎn)。
值得注意的是,研究人員揭示了由OER驅(qū)動(dòng)的表面重構(gòu)過程,以在活性邊緣面形成納米多孔但外延的Ni1-xO層。所形成的Ni1-xO缺少Ni并含有Ni3+物種,這不僅增加了暴露的活性位點(diǎn)和Ni氧化動(dòng)力學(xué),而且優(yōu)化*OH親和力,以促進(jìn)在較低電位下的限速去質(zhì)子化過程。
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?港理工JACS: β-Ni(OH)2表面重構(gòu): 一種強(qiáng)化OER的自激活過程
因此,這種依賴于面的表面重構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)能夠顯著提高OER活性的自激活過程。在這種自激活過程的指導(dǎo)下,研究人員開發(fā)出具有較大邊界面的β-Ni(OH)2催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,具有較大邊界面的β-Ni(OH)2僅需300 mV的過電位就能產(chǎn)生200 mA cm?2的電流密度,并在1000次CV循環(huán)后仍保持良好的活性,表明其具有優(yōu)異的反應(yīng)活性和穩(wěn)定性。
總的來說,該項(xiàng)工作通過研究β-Ni(OH)2表面重構(gòu)發(fā)現(xiàn)了一種OER增強(qiáng)機(jī)制,為設(shè)計(jì)和開發(fā)高活性的電催化劑提供了新思路。
Facet-dependent surface restructuring on nickel (oxy)hydroxides: a self-activation process for enhanced oxygen evolution reaction. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c02292

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