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镍铁层状双金属氢氧化物在不同pH电解液体系中的析氧反应 被引量:1
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作者 谢起贤 任丹 +7 位作者 柏力晨 格日乐 周雯慧 白璐 谢微 王军虎 Michael Gratzel 罗景山 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第1期127-138,共12页
利用可再生电力驱动水分解提供了一种绿色和可持续的方式来生产氢气(H_(2)),而提高水分解效率的关键是开发高效的电催化剂.作为水分解反应的阴极,析氢反应(HER)仅需要两电子转移,目前的研究较为成熟.相比之下,析氧反应(OER)因涉及四个... 利用可再生电力驱动水分解提供了一种绿色和可持续的方式来生产氢气(H_(2)),而提高水分解效率的关键是开发高效的电催化剂.作为水分解反应的阴极,析氢反应(HER)仅需要两电子转移,目前的研究较为成熟.相比之下,析氧反应(OER)因涉及四个电子的转移,比HER过程更复杂.在众多析氧催化剂中,镍铁(NiFe)基电催化剂是碱性电解液体系中最佳的OER催化剂之一,然而其在中性及近中性体系中活性降低较多,从而限制了其在中性的海水电解及二氧化碳还原体系中的应用.目前,造成NiFe基催化剂在中性体系中性能较差的具体机制尚不清晰.文献报道,随着体系pH逐渐降低,NiFe基催化剂析氧性能也会随之变差;深入研究发现,碱性体系中更易于形成高价的Ni,Fe物质,但其是否对催化剂在水分解过程中有影响仍有待进一步研究.本文将电化学测试与原位光谱技术相结合,对镍铁层状双金属氢氧化物(NiFe LDH)在不同pH电解液体系中的析氧反应机理进行深入研究.电化学测试结果表明,随着pH值逐渐降低,NiFe LDH催化剂的析氧性能逐渐变差.原位表面增强拉曼光谱结果表明,不同pH电解液体系中NiOOH和“活性氧”物质的形成与施加的阳极电位有关,高价Ni物质在高pH电解液中更容易形成,而在中性及近中性体系中则需要较高的电位才可以形成.引入原位^(57)Fe穆斯堡尔谱以观察稳定阳极电位条件下Fe氧化态的变化,测试结果表明,高价的Fe^(4+)物质在碱性条件容易形成,而对于中性及近中性体系中,在高施加电位下仍旧难以形成Fe^(4+)物质.为探究高价态Ni,Fe是否影响NiFe基催化剂的析氧性能,利用电化学活化方法构筑了具有Ni^(3+)和Fe^(4+)物质的NiFe CVA_(500)(500圈CV循环)催化剂,保证其在不同的pH电解液体系中保持相同的初始反应状态.在对应pH体系中,电化学活化的NiFe CVA_(500)催化剂相较于原始的NiFe LDH性能有所提升,但在中性体系中的OER性能仍然低于碱性体系中的性能.基于电化学及原位光谱测量结果表明,Ni^(3+)和Fe^(4+)物质的形成并不是影响不同pH条件下OER性能的决定性因素.OER电化学性能、动力学研究和甲醇氧化实验结果发现,NiFe LDH在不同pH体系中的析氧反应决速步是不同的,在碱性电解液体系中,其决速步是从*O到*OOH,而中性体系中*OH的形成为决速步.综上,本文为阐明NiFe基催化剂在不同pH电解液体系中的OER反应机制提供了新的见解. 展开更多
关键词 镍铁层状双金属氢氧化物 析氧反应 原位表面增强拉曼光谱 原位57Fe穆斯堡尔光谱
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不同预处理的氧化亚铜纳米线电极诱导的晶面效应提升电化学CO_(2)还原为多碳产物 被引量:1
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作者 付阳 谢起贤 +1 位作者 武琳晓 罗景山 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第4期1066-1073,共8页
近年来,由于化石燃料不断消耗造成的二氧化碳气体过量排放,对人类生活环境造成越来越大的威胁.电催化二氧化碳还原反应是一种很有前景的解决方法,可回收废弃的二氧化碳并通过将其转化为可再生的燃料和化学品来最终实现碳循环.在各种还... 近年来,由于化石燃料不断消耗造成的二氧化碳气体过量排放,对人类生活环境造成越来越大的威胁.电催化二氧化碳还原反应是一种很有前景的解决方法,可回收废弃的二氧化碳并通过将其转化为可再生的燃料和化学品来最终实现碳循环.在各种还原产物中,多碳化学产物因其具有高能量密度和高商业价值而备受青睐.然而,由于涉及多个复杂的反应途径,设计对多碳产物高活性的催化剂仍然是一个关键挑战.铜是目前最有前途的催化剂之一,它具有独特的电子结构来吸附CO中间体,从而促进后续C-C偶联成多碳产物.虽然Cu基催化剂在电催化二氧化碳还原过程中取得了很大的进展,但其内在的构效关系尚不清楚.本文对氧化亚铜纳米线进行不同处理,制备了纳米颗粒和纳米片形貌的预催化剂,并发现了预还原过程中形貌和晶面发生了重构,对多碳产物的产生表现出最好的选择性,其法拉第效率为67.5%.X射线衍射结果表明,纳米片衍生的铜催化剂在预还原后发生了晶面的重构,其中铜(100)晶面相对于其他两个晶面呈现大量暴露.采用循环伏安法测试二氧化碳还原实验后三种电极的OH^(-)吸附曲线,结果进一步证实了铜(100)晶面在预还原后大量暴露.由于丰富的铜(100)晶面的选择性暴露可以增强CO的吸附并提高表面*CO的覆盖率,进一步促进C-C的二聚,从而提高催化生成多碳产物的活性.X射线光电子能谱结果表明,三种催化剂预还原后,表面铜均呈现零价和一价,没有二价铜的存在.本文还比较了三种催化剂的双层电容,并计算了它们的电化学活性面积,以研究三种催化剂的粗糙度效应对二氧化碳还原产物的影响.结果表明,三种催化剂有着相似的粗糙度,从而排除了由于粗糙度不同引起的二氧化碳还原产物不同分布的影响.此外,成功合成了铜(100)、铜(110)和铜(111)单晶电极,并在相同条件下分别进行电催化二氧化碳还原研究.结果表明,铜(100)晶面更有利于电催化二氧化碳还原中多碳产物的生成.综上可见,预处理和结构演变对铜基电催化剂催化二氧化碳还原的产物分布影响显著,为合理设计高效的二氧化碳还原电催化剂提供了一种新的策略. 展开更多
关键词 电催化 二氧化碳还原 氧化亚铜 多碳产物 晶面重构 形貌
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Enhancing oxygen evolution reaction by cationic surfactants 被引量:4
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作者 qixian xie Daojin Zhou +6 位作者 Pengsong Li Zhao Cai Tianhui xie Tengfei Gao Ruida Chen Yun Kuang Xiaoming Sun 《Nano Research》 SCIE EI CAS CSCD 2019年第9期2302-2306,共5页
Oxygen evolution reaction is critical for water splitting or metal-air batteries,but previous research mainly focuses on electrode material or structure optimization.Herein,we demonstrate that surfactant modification ... Oxygen evolution reaction is critical for water splitting or metal-air batteries,but previous research mainly focuses on electrode material or structure optimization.Herein,we demonstrate that surfactant modification of a NiFe layered double hydroxide (LDH) array electrode,one of the best catalysts for oxygen evolution reaction (OER),could achieve superaerophobic surface with balanced surface charges,affording fast mass transfer,quick gas release,and boosted OER performance.The assembled surfactants on the electrode surface are responsible for lowering the bubble adhesive force (~ 1.03 μN) and corresponding fast release of small bubbles generated during OER.In addition,the bipolar nature of the hexadecyl trimethyl ammonium bromide (CTAB) molecule lead to bilayer assembly of the surfactants with the polar ends facing the electrode surface and the electrolyte,resulting in neutralized charges on the electrode surface.As a result,OH-transfer was facilitated and OER performance was enhanced.With the modified superaerophobic surface and balanced surface charge,NiFe LDHs-CTAB nanostructured electrode showed ultrahigh current density increase (9.39 mA(mV·cm^2)),2.3 times higher than that for conventional NiFe LDH nanoarray electrode),dramatically fast gas release,and excellent durability.The introduction of surfactants to construct under-water superaerophobic electrode with in-time repelling ability to the as-formed gas bubbles may open up a new pathway for designing efficient electrodes for gas evolution systems with potentially practical application in the near future. 展开更多
关键词 SURFACTANT OXYGEN evolution reaction superaerophobicity BUBBLE RELEASE CHARGE balanee
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基于富缺陷镍铁水滑石材料的高效析氧电极(英文) 被引量:6
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作者 熊旭亚 蔡钊 +10 位作者 周道金 张国新 张倩 贾茵 段欣旋 谢启贤 赖仕斌 谢添慧 李亚平 孙晓明 段雪 《Science China Materials》 SCIE EI CSCD 2018年第7期939-947,共9页
探索低成本高效率的析氧电极对于工业电解水技术的发展至关重要.尽管镍铁水滑石已被公认为是一种高效析氧的非贵金属催化剂,但其本征活性还有待进一步提高.本研究通过将氧空位缺陷引入镍铁水滑石,设计出一种低成本高效率的析氧电极.通... 探索低成本高效率的析氧电极对于工业电解水技术的发展至关重要.尽管镍铁水滑石已被公认为是一种高效析氧的非贵金属催化剂,但其本征活性还有待进一步提高.本研究通过将氧空位缺陷引入镍铁水滑石,设计出一种低成本高效率的析氧电极.通过精确电子结构调控,暴露更多活性位点,提高电极导电性,富缺陷镍铁水滑石电极展现出1.40 V(vs.RHE)的低起峰电位.同时,它仅需200 m V过电势就能达到10 m A cm^(-2)的电流密度,这相比未经处理的镍铁水滑石降低了48 m V.我们进一步通过密度泛函理论计算发现,氧空位缺陷的引入使Fe的价态降低,带隙减小,使得催化过程中电子更容易被激发到导带中,从而降低反应过电势并使析氧活性增强. 展开更多
关键词 镍铁水滑石 析氧电极 空位缺陷 非贵金属催化剂 材料 活性位点 密度泛函理论 结构调控
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Effects of redox-active interlayer anions on the oxygen evolution reactivity of NiFe-layered double hydroxide nanosheets 被引量:7
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作者 Daojin Zhou Zhao Cai +11 位作者 Yongmin Bi Weiliang Tian Ma Luo Qian Zhang qixian xie Jindi Wang Yaping Li Yun Kuang Xue Duan Michal Bajdich Samira Siahrostami Xiaoming Sun 《Nano Research》 SCIE EI CAS CSCD 2018年第3期1358-1368,共11页
Nickel-iron layered double hydroxide (NiFe-LDH) nanosheets have shown optimal oxygen evolution reaction (OER) performance; however, the role of the intercalated ions in the OER activity remains unclear. In this wo... Nickel-iron layered double hydroxide (NiFe-LDH) nanosheets have shown optimal oxygen evolution reaction (OER) performance; however, the role of the intercalated ions in the OER activity remains unclear. In this work, we show that the activity of the NiFe-LDHs can be tailored by the intercalated anions with different redox potentials. The intercalation of anions with low redox potential (high reducing ability), such as hypophosphites, leads to NiFe-LDHs with low OER overpotential of 240 mV and a small Tafel slope of 36.9 mV/dec, whereas NiFe-LDHs intercalated with anions of high redox potential (low reducing ability), such as fluorion, show a high overpotential of 370 mV and a Tafel slope of 80.8 mV/dec. The OER activity shows a surprising linear correlation with the standard redox potential. Density functional theory calculations and X-ray photoelectron spectroscopy analysis indicate that the intercalated anions alter the electronic structure of metal atoms which exposed at the surface. Anions with low standard redox potential and strong reducing ability transfer more electrons to the hydroxide layers. This increases the electron density of the surface metal sites and stabilizes their high-valence states, whose formation is known as the critical step prior to the OER process. 展开更多
关键词 oxygen evolution reaction layered double hydroxide intercalated anions electronic structure
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Topotactic reduction of layered double hydroxides for atomically thick two-dimensional non-noble-metal alloy 被引量:4
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作者 Pengsong Li qixian xie +8 位作者 Lirong Zheng Guang Feng Yingjie Li Zhao Cai Yongmin Bi Yaping Li Yun Kuang Xiaoming Sun Xue Duan 《Nano Research》 SCIE EI CAS CSCD 2017年第9期2988-2997,共10页
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Erratum to:Effects of redox-active interlayer anions on the oxygen evolution reactivity of NiFe-layered double hydroxide nanosheets
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作者 Daojin Zhou Zhao Cai +12 位作者 Yongmin Bi Weiliang Tian Ma Luo Qian Zhang Qian Zhang qixian xie Jindi Wang Yaping Li Yun Kuang Xue Duan Michal Bajdich Samira Siahrostami Xiaoming Sun 《Nano Research》 SCIE EI CAS CSCD 2020年第1期292-292,共1页
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