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曾林/徐梽川AM:硫尖晶石重构水氧化活性位点和自旋通道的研究
减少碳排放,实现无碳社会是人类的基本目标。氢一直被认为是化石燃料的替代品。为了实现可持续的制氢技术如利用可持续的能源电解水,是非常需要的。实现电解水的挑战之一是发展性能优异的和低成本的析氧反应(OER)催化剂。研究发现许多预催化剂都经过表面重构以提高析氧反应的性能。表面重构的氢氧化物是活性物质,其性能大多优于直接合成的氢氧化物。
在这里,南方科技大学曾林和南洋理工大学徐梽川(共同通讯)等人报道了一项研究,展示了预催化剂硫尖晶石CoFe2S4的独特重构行为以及其重构化学的高OER活性。
通过电化学测试可以发现,重构后的CoFe2S4的OER活性远高于CoFe2O4。CoFe2S4和CoFe2O4的Tafel图表明,重构的CoFe2S4的活性比CoFe2O4高两个数量级。
此外,循环伏安和时间安培法均可导致CoFe2S4重构,导致完全重构后的OER性能相似。为了更好地理解CoFe2S4的重构,本文研究了重构CoFe2S4的化学性质。将CoFe2S4循环50个循环后,直至不再发生不可逆氧化以确保完全重建。
在循环伏安中,可以发现由于不可逆氧化产生的赝电容电荷从第5个循环开始就可以忽略不计了,循环前后CoFe2S4的XRD和TEM结果证实CoFe2S4已经重构。
CoFe2S4电极预浸泡1小时后,OER活性几乎不变。最初的CoFe2S4中S元素比约为57%,重建后的材料的S元素比约仍然保持在~35%,这意味着60%左右的晶格S在重构过程中不能被氧化。因此,很有可能在重建后产生了另一个含s的成分,并且在OER周期中稳定。
CoFe2S4的重构产生了Fe-S组分和活性氢氧化物(Co(Fe)OxHy)的混合物,因为Co更倾向于重构为氢氧化物,而Fe在Fe-S组分中以Fe3S4的主要形式更稳定。
界面自旋通道在重构的CoFe2S4中得到证实,它优化了Co(Fe)OxHy上的OER步骤的能量并促进了自旋敏感电子转移以减少O-O耦合的动力学障碍。这种优势在膜电极组件电解槽中也得到了证实。
CoFe2S4独特的重构性能表明与直接制备的催化剂相比,使用预催化剂具有显著的优势。本文揭示的原理和机理为预催化剂的设计提供了新的思路,在膜电极组件电解槽中应用高性能预催化剂有利于高效制氢,对可持续发展具有重要意义。
Reconstruction of Thiospinel to Active Sites and Spin Channels for Water Oxidation, Adv. Mater., 2022, DOI:10.1002/adma.202207041.
https://doi.org/10.1002/adma.202207041.
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