化工學(xué)術(shù)|侯陽研究員課題組新進展：原子級分散鎳-氮-硫電/光電催化水裂解析氧
電/光電催化析氧反應(yīng)（OER）是水裂解器件和金屬-空氣電池的核心過程，由于OER是一個涉及4電子轉(zhuǎn)移的復(fù)雜反應(yīng)過程，具有反應(yīng)動力學(xué)緩慢和較大的過電位限制了整體的能量轉(zhuǎn)化效率，因此開發(fā)高效穩(wěn)定且價格低廉的OER電催化劑成為了該領(lǐng)域的研究熱點。近年來，過渡金屬（Ni, Co, Fe, etc.）-氮摻雜的納米碳材料被認(rèn)為是有吸引力的候選者，用于替代昂貴的Ir/C基催化劑。然而，催化效率較低并且催化機理和活性位點仍然難以捉摸。因此，如何優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，并深入理解其催化機制成為了實現(xiàn)水裂解高效析氧的至關(guān)重要因素。
近日，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院侯陽研究員課題組在電/光電催化水裂解析氧反應(yīng)研究中取得重要進展。研究人員設(shè)計并開發(fā)出一種單原子OER催化劑，其由高度分散的Ni單原子錨定在氮-硫共摻雜的多孔納米碳基底上，用于高效水裂解析氧反應(yīng)。所制備的負載在氮-硫共摻雜多孔納米碳上的Ni單原子催化劑（S|NiNx?PC）展現(xiàn)出獨特的2D層狀結(jié)構(gòu)，其厚度約為32nm，長度大約為幾微米。得益于高比表面積（235 m2/g）和高度分散活性位點，S|NiNx?PC/EG電極在堿性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化水裂解析氧活性和穩(wěn)定性。在電流密度為10 mA/cm2時，其過電勢達到1.51V，性能遠優(yōu)越于其他過渡金屬和/或非金屬原子摻雜的碳材料，甚至優(yōu)于商業(yè)中廣泛應(yīng)用的Ir/C電催化劑。將S|NiNx?PC/EG電催化劑進一步選擇性沉積在Fe2O3電極表面，形成一個高效的太陽能驅(qū)動水裂解整合光陽極。在模擬太陽光照射下，光電流密度在1.23 V電壓處達到了1.58 mA/cm2。
研究者采用球差校正掃描透射電子顯微鏡、電子能量損失譜、X射線近邊吸收光譜和擴展X射線吸收光譜等手段，首次揭示了S|NiNx?PC/EG催化材料中原子級分散的Ni單原子與周圍3個氮原子及1個硫原子形成配位結(jié)構(gòu)共摻雜到納米碳骨架作為催化活性位點。理論計算結(jié)果闡明，硫原子的引入優(yōu)化了Ni-N摻雜納米碳表面的電荷分布，大幅度降低了OER反應(yīng)勢壘，進而極大地加速了OER反應(yīng)動力學(xué)，從而導(dǎo)致其高效的電/光電催化性能和優(yōu)良穩(wěn)定性。
該項工作不僅設(shè)計并開發(fā)出一種高效穩(wěn)定的過渡金屬-氮-硫原子級電催化劑，還為如何設(shè)計低成本高活性人工固氮、二氧化碳轉(zhuǎn)化和氧還原催化材料的設(shè)計提供了新的思路。
該項工作得到了國家自然科學(xué)基金、浙江省杰出青年基金和浙江大學(xué)“百人計劃”啟動基金等項目的支持。相關(guān)論文以“Atomically dispersed nickel–nitrogen–sulfur species anchored on porous carbon nanosheets for ef?cient water oxidation”為題發(fā)表在Nature Communications上。該項成果由浙江大學(xué)、德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)及華中師范大學(xué)合作完成。浙江大學(xué)為該論文的第一及通訊作者單位。
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