ACS Catal：FeNi双金属氢氧化物电催化产氧原位表征

纳米技术

2022-01-22

人们在相关研究中发现Fe-Ni双金属氧化物/氢氧化物（FeNiO(H)_x）纳米材料是一种具有碱性电解液中OER电催化反应的非贵金属材料，但是目前相关研究中面临着电催化剂的合成过程导致在电催化OER反应中原子尺度的变化过程，以及其导致电催化剂形貌、纳米结构的变化。

有鉴于此，宾夕法尼亚州立大学Lauren F. Greenlee等报道合成了两种FeNiO(H)_x纳米催化剂，通过operando XAS表征技术研究在OER电催化反应过程中材料的原子尺度变化规律。

本文要点：

（1）

分别在溶液相和油相中合成了双金属纳米粒子催化剂，NP-aq和NP-oil，两种合成得到的催化剂具有相似组分表面结构。通过operando XAS表征，发现Ni元素从+2价态氧化生成+3/+4价态，这种现象让人想起α-Ni(OH)₂转变为γ-NiOOH的过程；这种价态变化的过程与电压有关，在NP-aq和NP-oil两种纳米粒子中都存在这种现象。

（2）

在Fe元素在电催化反应过程中没有这种价态变化现象的发生，但是当电压变化时Fe原子位点的配位环境发生改变。NP-aq纳米粒子中在电催化反应中能够在0.8-0.9 V区间内生成Fe³⁺ Td，在0 V内表现为Fe³⁺ O_h；NP-oil纳米粒子的Fe³⁺具有更好的稳定性，保持Fe³⁺ O_h配位结构，在电催化反应过程中没有明显改变。NP-aq纳米粒子中Fe配位在0.7 V开始剧烈变化，NP-oil样品中在0.1 V开始微弱变化。

（3）

此外发现两个样品中的Fe-O和Ni-O化学键都变的更短，其中NP-aq样品的键长变化程度更加显著。这种现象说明在电压变化过程中，材料的结构发生独特的变化。通过EXAFS表征技术，能够发现NP-aq和NP-oil样品变化的明显区别，其中NP-aq样品中Fe和Ni表现金属性，NP-aq样品比NP-oil样品具有提高的活性和稳定性。这些结果说明Fe³⁺ O_h→T_d转变过程、金属性、生成Fe-Ni(OH)₂等过程是改善OER催化活性的关键。本文研究结果说明电化学反应过程和新鲜合成的纳米粒子电催化剂形貌是影响催化剂的化学结构和结构-性能关系的重要方面。

参考文献

Prashant Acharya, Ryan H. Manso, Adam S. Hoffman, Sergio I. Perez Bakovic, László Kékedy-Nagy, Simon R. Bare, Jingyi Chen, and Lauren F. Greenlee*, Fe Coordination Environment, Fe-Incorporated Ni(OH)₂ Phase, and Metallic Core Are Key Structural Components to Active and Stable Nanoparticle Catalysts for the Oxygen Evolution Reaction, ACS Catal. 2022, 12, 1992–2008

DOI: 10.1021/acscatal.1c04881

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c04881