武大曾梦琪教授AM:单层高熵氢氧化物框架材料高效OER
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阅读： 2023/6/19 8:39:35
第一作者：Yiran Ding, Zhouyang Wang, Zijia Liang
通讯作者：曾梦琪 教授 唐琳 研究员
通讯单位：武汉大学
背景介绍
受益于元素的多样性、结构的灵活性和制备的简单性，层状双氢氧化物（LDHs）是氧析出反应（OER）中最有效的电催化剂之一。不幸的是，受限于目前的制备技术，LDHs催化剂的精细几何形态调节和电子结构优化不能得到平衡。因此，这种催化剂仍然存在内在活性差、导电性差、活性部位受限和金属离子浸出等问题。高熵工程有望改善LDHs的OER催化性能。缺电子的元素促进金属元素提高价态，为O-O键的形成提供活性位点。高熵工程还可以缩小带隙，提高LDHs的导电性。此外，由于表面能的降低，它还能进一步提高催化的稳定性。因此，具有大量活性位点的高熵层状氢氧化物（HELHs）是一种理想的OER催化剂。
然而，由于离子溶解度产品的巨大差异，HELHs的强碱性制备环境是必不可少的，不同的氢氧化物沉淀的pH曲线有交叉。这种极端的条件保证了不同的金属氢氧化物同时成核和生长，形成HELHs。然而，这种产品是不协调的，具有厚层堆积，活性点少和不稳定。因此，获得稳定的单层HELH以实现高效的OER是很令人渴望的。
本文要点
1. 克服了不同离子水解的巨大差异，通过锌、钴2-甲基咪唑（Zn, Co-ZIF）的原位转化，合成了一系列的单层HELH框架。利用这种策略可以制备出由第三和第四元素组成的HELH。温和的转化环境能够调整高熵产物的精细结构。
2. 获得的单层HELH的比表面积高达380.5 m2g-1，从而获得了更多的活性位点。由于ZIF框架的继承性，单层无缝连接的HELH框架也避免了规模缩小后阻抗上升的问题。
3.此外，框架结构有利于加快电解液的渗透和气体的传输速度。
4.这种策略有非常丰富的元素选择，元素的组成和比例可以定制，从而优化催化性能。在259 mV的过电位下，OER活性达到100 mA cm-2，远远优于四级LDH框架（323 mV）和共沉积制备的HELH（348 mV）的OER活性。
5. 此外，框架结构避免了单层催化剂的聚集。在电流密度为20 mA cm-2的情况下，反应1000小时后，催化性能没有明显降低。
6.因此，HELHs中定制的几何形态和元素组成为高熵材料的精细调节领域提供了新的视角，以促进其催化性能。
图文介绍
图1.单层HELH框架的制备过程。(a) pKsp和离子（0.1 molL-1）开始沉淀的PH值。(b) 通过共沉积和ZIF的原位转化合成HELH的示意图。(c) ZnCoNiFeMg HELH的形态和元素分布。(d) 元素周期表，其中可以形成HELH的元素在黄色背面以红字显示。
图2.HELH的结构表征。(a)HELH的TEM图像。(b)HELH的晶格条纹，插入的是SAED图像。(c)HELH的XRD光谱。(d)HELH的AFM图像。(e)HELH的XPS谱，插图，Fe 2p峰。(f)O元素的XPS光谱。(g)HELH的红外光谱分析。(h) N2吸附/解吸等温线。红色，HELH框架，蓝色，无序的HELH。(i) 单层HELH框架的孔隙大小分布。
图3.从ZIF到HELH转化过程中的配位特征。(a)在转换过程中不同时间拍摄的样品的XRD图谱。插图I，ZIF偏差的峰值。(b, d) 分别为Zn K边缘和Ni K边缘的归一化XANES光谱。(c, e) Zn K边缘和Ni K边缘EXAFS的k2-重量的傅里叶变换。
图4.HELH框架的电催化性能。(a)OER极化曲线。(b) 不同HELH框架（用f表示）和无序HELH（用d表示）的电流密度比较。(c) Tafel斜率。(d) 在金属氧化的电位下电流密度的比较。(e)HELH框架在20 mA cm-2下的时间电位曲线。
本文信息
Yiran Ding#, Zhouyang Wang#, Zijia Liang#, Xueping Sun, Zihang Sun, Yuanxin Zhao, Junlin Liu, Chenyang Wang, Ziyue Zeng, Lei Fu, Mengqi Zeng*, Lin Tang，Monolayer High-Entropy Layered Hydroxide Frame for Efficient Oxygen Evolution，Adv. Mater. 2023
https://doi.org/10.1002/adma.202302860
转自：“我要做科研”微信公众号
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