近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所納米材料與器件技術(shù)研究部李越課題組在鐵基納米復(fù)合材料的OER催化性能研究方面取得新進(jìn)展，合成的FeP/Fe₃O₄/CNTs復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原反應(yīng)催化活性及穩(wěn)定性，并具有很好的本征活性和快速的動力學(xué)過程。該研究對設(shè)計非貴金屬基催化劑具有一定的指導(dǎo)意義。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

能源短缺及環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，尋找可持續(xù)清潔能源勢在必行。在較多可持續(xù)能源應(yīng)用中，氧還原反應(yīng)（OER）是關(guān)鍵的一步反應(yīng)。由于OER動力學(xué)過程緩慢，特別需要高效催化劑加速反應(yīng)進(jìn)程。目前，Ru和Ir氧化物仍被認(rèn)為是最好的OER催化劑。然而，這些貴金屬相對高昂的價格及稀缺性使大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用受到阻礙。因此，研究人員研發(fā)出許多過渡金屬基電催化劑來取代貴金屬基催化劑，其中價格低廉且地球儲量豐富的鐵基納米材料更是受到廣泛研究。

過渡金屬磷化物由于具有良好催化活性及穩(wěn)定性，被證明是一類非常有前景的OER催化劑。較多研究證明將過渡金屬磷化物與其他功能材料協(xié)同可以有效提高材料的電催化性能，尤其是過渡金屬氧化物與磷化物之間的電子轉(zhuǎn)移及協(xié)同耦合作用能夠顯著提高磷化物的電催化活性。然而，在合成納米尺度的過渡金屬磷化物/氧化物顆粒過程中很難避免團聚現(xiàn)象，這將很大程度上影響材料最終的電催化性能。此外，鐵氧化物較差導(dǎo)電性也影響電子傳輸從而阻礙其作為電催化劑的應(yīng)用。因此，將它們與具有良好導(dǎo)電性的碳基材料[如碳納米管（CNTs）]結(jié)合形成復(fù)合材料，可以進(jìn)一步提高其電催化活性。

鑒于此，研究人員設(shè)計出一種簡單的方法，通過吸附、退火和磷化過程制備出均勻負(fù)載在CNTs上的FeP/Fe₃O₄空心雜化納米顆粒，并作為高效的OER電催化劑。首先，將Fe(NO₃)₃吸附在經(jīng)PSS修飾的CNTs上，經(jīng)過退火處理后得到Fe@Fe₃O₄/CNTs復(fù)合材料，再經(jīng)過可控的磷化過程最終得到FeP/Fe₃O₄/CNTs復(fù)合材料（圖1）。該方法合成的FeP/Fe₃O₄/CNTs復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的OER催化活性及穩(wěn)定性。該催化劑具有27.6 mV/s的超低Tafel斜率，以及0.35s^-1的較高轉(zhuǎn)換頻率（TOF），說明該催化劑具有很好的本征活性和快速的動力學(xué)過程（圖2）。該材料優(yōu)異的OER性能主要得益于雜化顆粒的中空結(jié)構(gòu)、CNTs的良好導(dǎo)電性以及FeP與Fe₃O₄之間的電子轉(zhuǎn)移。這種將復(fù)合材料負(fù)載在具有良好導(dǎo)電性的CNTs載體上的方法對設(shè)計非貴金屬基催化劑具有一定的指導(dǎo)意義。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金等的資助。

論文鏈接

圖1.（a）FeP/Fe₃O₄/CNTs催化劑的合成機理圖，（b）由核殼結(jié)構(gòu)Fe@Fe₃O₄形成空心結(jié)構(gòu)FeP/Fe₃O₄的磷化過程機理圖

圖2.（a）-（b）分別為FeP/Fe₃O₄/CNTs催化劑不同放大倍數(shù)下的TEM及HRTEM照片；（c）FeP/Fe₃O₄/CNTs及對比催化劑在1 M KOH電解液中的測得的LSV曲線；（d）各催化劑對應(yīng)的塔菲爾曲線