合肥光源用户在单层氢氧化物纳米材料制备和机理研究中获新进展
时间 : 2022-02-18     

作为典型的电催化产氧催化剂,氢氧化物材料在产氧反应前的脱氢机制及晶格结构演变对于理解其催化机理具有关键的指导意义。催化反应主要发生在催化剂的表面,单层氢氧化物结构的设计合成可为探索催化过程中的金属中心和晶格氧原子的作用及其与本征电催化性能间的关系提供理想的平台。虽然二维超薄氢氧化物材料的研究已经取得了长足的发展,但如何避免单分子层纳米材料在制备和电极负载过程中的堆叠进而获得单层材料本征催化活性是一个巨大的挑战,尤其是在电极表面直接制备单层氢氧化物还未见报道。  

合肥光源用户北京航空航天大学的郭林教授和刘利民教授通过原位电化学转化在电极上直接合成出单层Ni(OH)2,并对其催化活性进行了深入研究。单层结构可以极大地促进氢和氧的析出过程,从而在较低的电位下产生动态活性位点用于析氧反应(OER)。此外,Co掺杂可以进一步调控电子结构以降低过电位。原位测试揭示出NiCo氢氧化物中Ni和Co的价态振荡,这归因于连续的脱氢和脱氧过程,并从根本上促进了OER活性位点的动态形成。  

在研究过程中,该团队借助合肥光源软X射线磁圆二色线站(MCD-A)和软X射线能源材料原位分析线站(MCD-B,Soochow Beamline for Energy Materials)的同步辐射软X射线吸收谱进行准原位测试,从氧边证实了NiCo氢氧化物中Ni和Co的价态振荡和脱氧过程,从而验证其机理。从样品的O K-edge谱图中发现,其边前峰对应了氧与金属成键的成键态,而其强度随外加电压的周期性震荡变化与金属边的价态震荡变化相对应,验证了脱氧过程中氧空穴的变化。该工作建立了在电极表面直接获得单分子层氢氧化物的新途径,所提出的催化机制对氢氧化物材料电催化机理的理解和新型催化剂的设计给出了有益借鉴。  

相关研究工作以“Valence oscillation and dynamic active sites in monolayer NiCo hydroxides for water oxidation”为题,在线发表在《自然-催化》期刊上。

   
  
        图. a-b))不同电压下的NiCo氢氧化物的O K-edge吸收谱,c)其电子结构的震荡变化  

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41929-021-00715-w