延安大学付峰课题组 | 溶剂诱导层状镍钴氢氧化物晶面效应实现高效电解水
二维层状材料已被普遍认为是催化领域可替代贵金属催化剂的理想候选者。层状双氢氧化物因其具有比表面积高、组成易调变、结构易裁剪、且与其他材料易复合等优点，被广泛应用于电催化领域。为了进一步提升其催化性能，缺陷工程、掺杂工程、单原子修饰、异质界面构筑等已被大量采用, 而晶面工程研究相对较少。
近日，延安大学付峰课题组采用溶剂诱导策略来调控CoNi-LDH生长模式，促使其定向生长形成由纳米片组成的球状结构，并提高其结晶性，从而暴露出大量的局部高活性{003}晶面（图1）。
图1 合成CoNi-LDH的XRD图和Co0.67Ni0.33(OH)2-E的SEM、TEM和球差电镜图
该工作通过调控前驱体金属离子含量比以及溶剂种类等合成了不同Co–Ni双金属组分比和不同形貌结构的CoNi-LDH，并系统研究了这些CoNi-LDH催化剂在碱性体系中对电解水析氢和析氧反应的催化性能以及作用机制。
研究结果表明，Co–Ni双金属氢氧化物具有较强的协同催化效应（图2）。当Co : Ni摩尔比约为2 : 1时（Co0.67Ni0.33(OH)2-E），其表现出最佳的催化析氢和析氧性能。这种协同催化效应归因于邻位Co能够增强Ni的Ni(OH)2/NiOOH氧化还原过程的动力学并提高其可逆性，从而表现出很强的协同催化析氧作用。
图2 CoxNi1-x(OH)2-E电催化析氢和析氧性能评估
此外，研究发现材料制备过程中，材料的结晶度和表面晶面结构与其催化活性具有较强的相关性。相比以水为溶剂所制备的Co0.67Ni0.33(OH)2-W材料，以乙醇为溶剂制备的Co0.67Ni0.33(OH)2-E材料表现出更强的催化活性（图3）。
图3 Co0.67Ni0.33(OH)2-E和Co0.67Ni0.33(OH)2-W电催化析氢和析氧性能对比
通过材料表征发现，具有较高的结晶度，表面暴露出较多的{003}晶面；原位拉曼光谱显示（图4），与Co0.67Ni0.33(OH)2-W相比，在Co0.67Ni0.33(OH)2-E表面可以提供更多活性高的β-NiOOH中间相，并且这些中间相可以在相对较低的过电位下形成，电化学测试结果也证实了这一点。
图4 Co0.67Ni0.33(OH)2-E和Co0.67Ni0.33(OH)2-W表面原位拉曼光谱
XAS研究表明（图5），Co0.67Ni0.33(OH)2-W与Co0.67Ni0.33(OH)2-E的结晶过程存在明显差异。对于Co0.67Ni0.33(OH)2-W，Co在∼1.4 Å处出现双重峰，这表明Co位点上的Co–O配位过强，这可能会导致OER吸附氧物种比较困难。同时，Ni–M的信号强度较弱，反映了Co0.67Ni0.33(OH)2-W样品的结晶不连续性。
图5 XAS结构分析表征
此工作为溶剂诱导策略来调控材料的结晶度和晶面结构，从而使材料具有较高的催化活性。这为具有高活性晶面效应和协同催化效应的双金属氢氧化物催化剂的设计与构筑提供了新思路，对开拓高活性催化剂具有重要的借鉴意义。
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A solvent-induced crystal-facet effect of nickel–cobalt layered double hydroxides for highly efficient overall water splitting
Lingxing Zan, Hongling Zhang, Zhangwen Ye, Qingbo Wei, Hongliang Dong, Shiwen Sun, Qiang Weng, Xin Bo, Huicong Xia, Yibing Li and Feng Fu
Inorg. Chem. Front., 2022, 9, 5527-5537
https://doi.org/10.1039/D2QI01470J
*文中图片皆来源上述文章
通讯作者简介
付峰 教授
延安大学 化学与化工学院
付峰，延安大学副校长，教授，博士生导师，陕西省“化学工程与技术”特色学科带头人、陕西省“三秦人才”，陕西省“优秀教育工作者”，陕西省“特支计划”区域创新发展人才，教育部化工类专业教学指导委员会委员，陕西省创新研究平台“延能-延大综合能源产业技术研究院”院长。
主要从事煤炭清洁高效利用工艺技术开发、环境催化技术研发等领域的工作。近年来，主持多项国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划子项目、中央引导地方科技创新重点计划等；先后在Appl. Catal. B: Environ., Adv. Funct. Mater., Nano-Micro Lett., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., J. Catal.等国际重要学术刊物上发表论文60余篇。主编出版《能源化工工艺学》《化工设计与技术经济》著作2部；授权国家发明专利14项；先后获湖北省科学技术奖、陕西省科学技术奖、陕西省高等学校教学成果奖等多项奖励。
第一作者简介
昝灵兴 副教授
延安大学 化学与化工学院
昝灵兴，延安大学化学与化工学院副教授。2017年于德国波恩大学取得博士学位，2018年就职于延安大学化学与化工学院；2019年-2021年，在中国科学院大连化学物理研究所开展博士后工作。目前主要研究方向为电化学催化与储能基础研究，包括：(1) 电极表面的纳米结构；(2) 电化学催化与能量转化催化剂工程；(3)电催化反应机理。至今，在Natl. Sci. Rev., Energy Environ. Sci., Inorg. Chem. Front., Nano Res., Electrochim. Acta, J. Alloys Compd., J. Colloid Interface Sci., Phys. Chem. Chem. Phys.等国际重要学术刊物上发表论文30余篇。
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