我所利用原位電化學穆斯堡爾譜揭示Ni-Fe基羥基氧化物在電催化析氧反應中的作用機理

  近日,我所能源研究技術平臺穆斯堡爾譜研究組(DNL2005)王軍虎研究員團隊與催化與新材料研究中心(十五室)黃延強研究員團隊合作,利用自主研發的原位電化學穆斯堡爾譜裝置,對Ni-Fe基催化劑在電催化析氧反應 (OER) 中的作用機理進行了深入探索。該合作團隊通過實驗,在OER起始電位附近觀察到存在大量Fe4+,并進一步證實了OER的電流密度與原位產生的高價鐵物種含量密切相關。

  電催化析氧材料的研究對氫能源和金屬空氣電池等領域的發展具有重要意義,但目前商業化的大多為Ru、Ir基等貴金屬催化劑,開發性能優異且價格低廉的非貴金屬OER催化劑是近年來研究的熱點。同時,借助原位穆斯堡爾譜等方法研究OER材料的反應機理進而指導高性能OER催材料合成,已成為探索OER材料的重要手段。此前,已有對Ni-Fe羥基氧化物OER催化劑的原位穆斯堡爾譜研究報道,發現在OER中的確有高價鐵物種的存在。但是,該研究報道的觀察是在相對較高的電位下生成(遠高于OER的起始電位)的,并且認為動力學上高價鐵物種不能有效促進OER反應的進行(JACS,2015)。

  本工作中,該合作團隊以普魯士藍類似物為前驅體,通過拓撲轉型的方法制備了低結晶度的Ni-Fe羥基氧化物,其具有高的OER活性;并通過原位電化學穆斯堡爾譜技術對其研究,發現在OER起始電位附近生成大量的Fe4+(1.42 V vs. RHE , 12%),隨著電壓的增加,其含量可高達40%(1.57 V vs. RHE)。通過系統研究,合作團隊從實驗上證實了OER的電流密度與高價鐵物種(Fe4+)的含量呈正相關,加深了對Ni-Fe羥基氧化物在OER中的反應機理的認識。

  相關工作發表在《能源化學》(Journal of Energy Chemistry)上,并被遴選為封面文章。該工作得到中科院對外合作重點項目等資助。(文/圖 匡智崇)

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