钨掺杂镍铁水滑石高效电催化析氧反应

摘要

电解水对制备可持续和清洁的氢气能源至关重要。电解水的阳极析氧反应设计复杂的4-电子转移过程，所需能耗较高，是电解水的速控步骤。催化剂对于析氧反应的进行具有重要作用。镍铁水滑石是最具潜力的碱性非贵金属析氧反应（OER）催化剂，但是由于水滑石导电性差、活性位点暴露不充分、对反应中间体吸附较弱等问题，催化活性还需要进一步提高。如何提升催化活性已经被科学家们广泛关注，比如：制造缺陷、掺杂、将水滑石剥离为单层结构和组装为阵列结构等。在本论文中，通过简单的“一锅法”醇解合成了一系列不同量W掺杂NiFe-LDH的样品。XRD结果表明合成的NiFeW-LDH的衍射峰与完美NiFe-LDH标准卡片相同，没有其他的衍射峰，表明W没有单独成相，被成功掺杂进入NiFe-LDH。扫描电镜表明NiFeW-LDH为纳米片（尺寸约为～500 nm）组成的3d立体花状结构，且材料中Ni、Fe和W均匀分布。XPS表明材料中W的价态为6+，与未掺杂的NiFe-LDH相比，Fe向高价态移动，表面吸附的OH增多。在密度泛函理论（DFT）计算中，结果同样表明W⁶⁺掺杂有利于H₂O和O^*中间体的吸附，提高了Fe位点的活性。在1 mol·L^-1 KOH中，NiFeW-LDH达到10 m A·cm^-2所需过电位是199和237 mV，这比大多数的NiFe基粉末催化剂的性能好。综上，实验和计算表明W掺杂调控催化剂中Fe位点电子结构，优化对反应中间体的吸附，使催化剂具有更高活性。

关键词

析氧反应 / 水滑石 / 钨掺杂 / 电子相互作用 / 电催化

基金资助

国家重点研发计划项目(2021YFA1502200);; 国家自然科学基金项目(21935001,22075013,22179029);; 北京市自然科学重点基金项目(Z210016);; 河北省科技计划项目(21344601D);; 中央高校基本科研业务费专项资金资助