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Small：過電位僅為182 mV！超親水-超憎氧的Mo-NiFeOxHy陣列用于高效催化OER

析氧反應(yīng)(OER)是水分解、CO₂還原、可充電金屬-空氣電池和可再生燃料電池的關(guān)鍵半反應(yīng)，是開發(fā)一系列儲能和轉(zhuǎn)化技術(shù)的基礎(chǔ)。然而，由于設(shè)計含氧中間體(*OH，*OOH，*O)形成的熱力學(xué)反應(yīng)，典型的OER是復(fù)雜的電子-質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，其緩慢的動力學(xué)和大的過電位限制了電催化技術(shù)的發(fā)展。貴金屬及其氧化物如RuO₂和IrO₂是具有較高OER活性的材料，但這些金屬的稀缺性和成本嚴重阻礙了它們的廣泛應(yīng)用。因此，開發(fā)一種高效、穩(wěn)定、廉價的非貴金屬電催化劑來替代貴金屬具有重要意義。

近日，天津大學(xué)王中利和那平等制備了一種以NiFe(MoO₄)_x棒為前驅(qū)體合成超細Mo改性NiFeO_xH_y納米片陣列(Mo-NiFeO_xH_y)，并將其作為高效的OER催化。

具體而言，研究人員采用簡單的水熱法在泡沫鎳(NF)表面原位生長Fe摻雜的NiMoO₄納米棒(NiFe(MoO₄)_x)，通過控制Fe摻雜量，制備出不同Ni/Fe比例的NiFe(MoO₄)_x前驅(qū)體。然后用循環(huán)伏安法(CV)激活合成的NiFe(MoO₄)_x，在電化學(xué)活化過程中，鉬酸鹽離子MoO₄^2?逐漸溶解，電解質(zhì)中的氫氧化物離子(OH^?)擴散到前驅(qū)體中，并在有限的空間內(nèi)與Ni²⁺和Fe³⁺離子反應(yīng)生成超細的NiFeO_xH_y納米片(<10 nm)。

這種致密的超細納米片陣列在氫氧化鎳表面產(chǎn)生豐富的邊緣平面，這將暴露出更多的活性位點。更重要的是，微孔結(jié)構(gòu)和表面親水羥基的毛細現(xiàn)象誘導(dǎo)了超親水性，粗糙的表面也產(chǎn)生了超疏氣性。

實驗結(jié)果和理論計算表明，Mo和Fe的引入可以調(diào)節(jié)Ni的電子結(jié)構(gòu)，促進Ni和O原子之間的鍵合，并且近費米能級的電子離域化有利于與OER中間體的鍵合，提高催化性能。因此，優(yōu)化后的Mo-NiFeO_xH_y催化劑表現(xiàn)出較高的催化活性，在10 mA cm^?2電流密度下具有182 mV的小過電位；在200 mA cm^?2下的Tafel斜率為22 mV dec^?1。

此外，Mo-NiFeO_xH_y還具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，在200 mA cm^?2電流密度下連續(xù)運行200 h而沒有發(fā)生明顯的性能下降。總之，這項工作為鎳鐵基電催化劑的結(jié)構(gòu)和組成的調(diào)制以提高電催化活性提供了一種新的策略。

Ultrafine NiFe-Based (Oxy)Hydroxide Nanosheet Arrays with Rich Edge Planes and Superhydrophilic-Superaerophobic Characteristics for Oxygen Evolution Reaction. Small, 2023. DOI: 10.1002/smll.202301609

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