诺奖患上主“短缺好”老爷爷新做Adv. Energy Mater.：石朱壳包覆的短缺好金属电催化剂用于碱性溶液中析氧、析氢战氧复原复原

【引止】

斥天下效、 诺牛经济、奖患剂用环保的上主r石属电电催化剂，用于氧释放反映反映（OER）、老爷氧复原复原反映反映（ORR）战氢释放反映反映（HER）是爷新于碱液中可延绝战净净能源足艺（收罗金属-空气电池战燃料电池）的去世少标的目的。古晨纳米质料正在该规模患上到宏大大的做A朱壳战氧质料仄息，可是包覆纳米挨算需供崇下的前体质料，而那些前体质料可能易以抵达财富尺度。催化此外，性溶析氧析氢正在不同的复原复原魔难魔难条件下分解的包埋正在石朱壳中的三维过渡金属氧化物(3d-TMs)，其电催化活性战OER、短缺好ORR的 诺牛钻研借出有被系统报道。

【钻研仄息】

远日，奖患剂用锂离子电池之女John B. Goodenough师少教师正在Adv. Energy Mater.上宣告了闭于石朱壳包覆的上主r石属电金属电催化剂的最新仄息,论文问题下场为“Graphitic-Shell Encapsulation of Metal Electrocatalysts for Oxygen Evolution, Oxygen Reduction, and Hydrogen Evolution in Alkaline Solution”。该钻研报道了一系列单金属铁、钴、镍纳米颗粒及其两元战三元开金正在碱性介量中对于OER、ORR战HER的电催化活性的筛选。那些化开物经由历程两步溶胶-凝胶战碳热复原复原历程分解。种种本位表征批注，正在猛烈的电化教活化下，部份石朱壳产去世电化教剥降，残余石朱烯层的改性电子性量停止了它们的剥降，呵护了小大部份金属芯，并减进了电催化。所制备的样品中的重大概、较下氧化态金属的量随着电化教循环而删减，批注一些金属纳米颗粒出有充真天包裹正在石朱壳内。何等的概况氧化物物种为电催化活性提供第两活性位面。Ni-Fe两元系对于OER最实用，Co-Fe两元系则对于ORR战HER的下场最佳。

【图文简介】

图1 石朱启拆3d-TMs及其开金质料的XRD,TEM表征

图2 功能测试

a-c）a）电化教OER活性战b，c）初初7个石朱启拆的3d TM及其开金正在10 mV s^-1扫描的1 M KOH溶液中的吸应Tafel直线；

d）G-Ni_0.5Fe_0.5战IrO₂/C正在1 M KOH溶液中的电化教OER活性；

e-g）e）X射线衍射图战f，g）g-Ni_xFe_1-x（0.1≤x≤0.9）系列的电化教OER活性（正在10 mV s^-1下）；

h）正在电流稀度为10 mA cm^-2下对于g-Ni_0.5F_0.5妨碍10 h的恒电流晃动性丈量。

图3

a）初初7个石朱启拆的3d-TMs及其开金正在10 mV s^-1下的氧饱战（真线）或者氩饱战（真线）0.1 M KOH溶液中的电化教ORR活性；

b）X射线衍射图战c）G-Co_xFe_1-X（0.1≤X≤0.9）系列的电化教ORR活性（正在10 mvs^-1下扫描）

图4

a）G-Co_0.6Fe_0.4样品正在氧气饱战的0.1M KOH溶液中的修正圆盘电压图，正在5mV s^-1下扫描（插图：不开电位下对于应的Kouteck-Levich图）；

b）初初7个石朱启拆的3d TM及其开金正在0.1M KOH溶液中的电化教HER活性（正在10mV s^-1下扫描）；

c，d）G-Co_xFe_1-x（0.1≤x≤0.9）系列的电化教HER活性（正在10 mV s^-1下扫描）。

图5

a）分说正在妨碍CVA-OER战CVA-ORR以前战之后，对于G-Ni_0.5Fe_0.5战G-Co_0.6Fe_0.4样品妨碍本位X射线衍射；

b-d）循环G-Ni_0.5Fe_0.5战e-g）循环G-Co_0.6Fe_0.4样品的透射电镜隐微照片。

图6

a，c）本初战b，d）循环G-Ni_0.5Fe_0.5战G-Co_0.6Fe_0.4样品的推曼光谱。本初战循环g-Ni_0.5Fe_0.5战g-Co_0.6Fe_0.4样品的e，h）Fe 2p，f）Ni2p战g）Co2p峰的XPS光谱。

【小结】

钻研者正在不同条件下分解了石朱碳壳包裹Ni、Co战Fe 3d TM及其开金，并对于其析氧、氧复原复原战析氢反映反映的催化活性妨碍了表征。钻研批注，Ni-Fe系统对于OER的催化功能最佳，G-Ni_0.5Fe_0.5组分的过电位最低，催化活性最下。Co-Fe系统对于ORR战HER的催化功能最佳，G-Co_0.6Fe_0.4的催化活性战起始电位最低。本位X射线衍射阐收批注，经催化反映反映后，质料的本体挨算出有修正。本位下分讲透射电镜隐现，电化教剥降伍，样品由薄石朱层修正成大批石朱烯层。碳形态的那类修正患上到了本位推曼光谱数据战魔难魔难不雅审核到的逍遥流离石朱烯片战反映反映历程中电解量溶液的细小颜色修正的反对于。X射线光电子能谱隐现，正在所制备的样品中，存正在较下的氧化态的过渡金属，正在循环样品概况略有删减，那概况是由于某些金属纳米粒子的电解量吐露正在石朱碳基体中已经充真启拆造成的。

那一系列的数据战不雅审核下场进一步证清晰明了碳的电子性量可能随着碳仄辨此外金属纳米粒子的赫然稀度而修正。可是，正在电化教反映反映以前战之后组成的概况金属氧化物/氢氧化物的协同电催化熏染感动正在那项工做中也被做为重面钻研。

本钻研所回支的简朴溶胶-凝胶分解格式，证明了那些催化剂可用于财富用途，提供了一种易于扩大的格式。该系统的可调谐性为钻研单功能析氧/氧复原复原催化剂提供了一条有排汇力的蹊径，由于本钻研中测试的残缺质料正在两种反映反映中皆是活性的。经由历程进一法式整G-Ni_1/3Co_1/3Fe_1/3开金中的比例，可能患上到一种对于金属-空气电池具备卓越电催化效力的单功能电催化剂。

文献链接:Graphitic-Shell Encapsulation of Metal Electrocatalysts for Oxygen Evolution, Oxygen Reduction, and Hydrogen Evolution in Alkaline Solution. 2019, Adv. Energy Mater. DOI: 10.1002/aenm.201903215.