澳门大学潘晖教授课题组：多金属氮化物促进电催化析氧

▲第一作者：刘东；通讯作者： 陈石，王雷，邢贵川，潘晖；
通讯单位：澳门大学、深圳大学；

论文DOI：https://doi.org/10.1002/aenm.202002464

全文速览

本工作制备了一种生长在泡沫镍上的新型三金属氮化物催化剂（CoVFeN@NF），具有超高的OER活性，其性能优于基准催化剂RuO2和大多数最先进的3d过渡金属及其化合物。

背景介绍

目前报道了基于非贵金属的过渡金属化合物作为OER催化剂，例如硫化物，（羟基）氢氧化物，氧化物，和磷化物。因为他们具有可调的电子结构和丰富的活性位点。近年来，研究者发现3d过渡金属氮化物适合作为OER催化剂由于其高电导率和丰富的活性位点，它优于氧化物，氢氧化物和硫化物。值得注意的是金属氮化物的表面很容易被氧化成氧化物和氢氧化物。例如，在碱性环境中电化学氧化过程中快速的表面重建和相变，催化剂的表面转化为金属羟基氧化物（*OOH）。通常，羟基氧化物被视为活性位点。因此，对相变和表面重建的透彻了解对于弄清催化机理和合理设计OER电催化剂至关重要。

研究出发点

设计了一种高效，稳定的电催化剂，该催化剂由负载在镍泡沫（CoVFeN @ NF）上的Co，V和Fe三金属氮化物组成，用于水氧化。 受益于协同效应，多金属体系可以提供良好的电子结构和局部协调环境以增强OER。 重要的是，通过在OER过程中的表面重构和相变，在催化剂表面上引入了催化活性物质（*OOH），从而大大提高了对OER的催化活性。

图文解析

本文制备了在泡沫镍（CoVFeN @ NF）上生长的新型三金属氮化物化合物是超高活性的OER电催化剂，其性能优于基准催化剂RuO2和大多数最新的3d过渡金属和他们的化合物。 CoVFeN @ NF在1 M KOH中的10 mA和100 mA cm-2下分别显示212和264 mV的超低OER过电势，以及34.8 mV dec-1的小Tafel斜率，性能优于商业的RuO2及多数的氮化物。 此外，CoVFeN @ NF催化剂对OER具有长期稳定性，在各种电流密度下均能在100小时内提供稳定的过电势。

▲Figure 1. a) iR-corrected polarization curves of as-prepared samples in 1M KOH solution. b) Tafel plots of NF, Co2VO4@NF, CoVN@NF, CoVFeN@NF, and RuO2@NF. c) Comparison of overpotentials at 10 mA cm-2 and Tafel slop with recently reported OER electrocatalysts. d) Polarization curves with different loops of LSV for CoVFeN@NF. e) Chronoamperometry curves of CoVFeN@NF at overpotentials of 212 and 264 mV in 1 M KOH.

结构表征表明，优异的催化活性主要源于：（1）由于表面重构和相变而在催化剂表面形成羟基氧化物，（2）促进了可能由过氧化合物（O22-）物种激活的氧释放。通过结合晶格氧氧化和吸附氧逸出机制（LOM + AEM），（3）由于多金属体系的协同作用而优化了电子结构和局部配位环境，并且（4）多金属氮化后大大加速了电子转移。

▲Figure 2. a) The electrochemical double-layer capacitances (Cdl) and electrochemically active surface areas (ECSA) of samples. b) The polarization curves of as-prepared samples based on ECSA c) The EIS curves of samples. d) The XPS spectra of O 1s of CoVFeN@NF before and after OER process. The proposed e) adsorbate escape mechanism and f) lattice oxygen oxidation mechanism for OER, where M represents Co, Fe, and Ni, and the empty square represents oxygen vacancy.

总结与展望

这项工作表明，多金属氮化物复合材料CoVFeN对OER具有超高的电催化性能，并且具有极小的过电势。 CoVFeN优异的OER性能归因于多金属（Co，V，Fe）系统中优化的电子结构，由于表面重构和相变而形成的羟基氧化物催化活性物种以及可能激活晶格氧氧化机理。 通过对多金属体系中的表面重构，相变和机理的深入了解，为合理设计具有优异OER活性的新型催化剂提供了新的策略。

课题组介绍

潘晖老师于2006年获得新加坡国立大学物理学博士学位，2006年到2013年期间先后在新国大、美国橡树岭国家重点实验室、新加坡超级计算中心等国际顶尖科研机构以研究员和科学家身份从事新型功能纳米材料的计算设计和性能实验相关研究。2013年开始潘老师加盟澳门大学，他的研究融合了实验研究和理论计算，迄今为止，已经发表SCI论文190余篇，文章总引用达8000次，h-index为43。此外，潘老师还拥有4项中国专利及4项美国专利。目前，课题组拥有完备的光电化学实验仪器，PLD和充足的科研经费。课题组已有多篇文章发表于Phys. Rev. Lett., Chem. Mater., ACS Nano, Advanced Energy Materials, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental等国际顶尖期刊上。

课题组主页：https://iapme.um.edu.mo/staff/academic-staff/pan-hui/