2020-06-02
通过对复合材料异质结构界面的调控，可以实现催化剂协同效应、原子配位环境、电子结构、电荷传输等特性的调节，从而提高异质结构材料的电催化性能。虽然传统的物理、化学方法可以广泛地用来制备异质结构材料，然而，连续调控异质界面的长度和密度仍然非常困难。并且，人们对不同极化过电位下的界面结构和电子态的演化仍然知之甚少，特别是在OER过程中的强碱性和氧化条件下。此外，许多异质结构具有三维结构特征，这使得传统的电子显微镜和X射线光谱技术很难对其进行深入表征。因此，需要更多的研究来揭示动态电压极化下的原子和电子界面构型，以及它们与可测量的电化学行为的关系，这对于理解界面的性质是极其重要的。鉴于此，本团队成员郑学荣等人在Advanced Material期刊上报道了一种界面工程设计，包括以原子紧密的方式创建具有可控界面密度的异质结。
图1 异质结构NiSe2/CoSe2的构建与原子级界面调控
研究中选择具有高电子电导率和低晶格失配（不足5%）的NiSe2和CoSe2为单体，采用一种新的连续离子注入方法制备NiSe2/CoSe2异质结构纳米杂化体系，并通过控制合成工艺参数实现了界面密度的连续调节。其中，原子级界面体系中平均晶粒尺寸约为7.0 nm。XPS和XANES结果表明，过渡金属元素在纳米级杂化体系中实现了良好的界面耦合和电子结构的耦合，Ni发生了氧化，Co发生了还原。
图2 不同电位下NiSe2/CoSe2原子级异质结构的EXAFS分析
图3 理论计算原子级界面结构NiSe2/CoSe2杂化材料的OER反应动力学
通过对EXAFS数据进行MWT和FT分析，并结合DFT理论计算表明，原子界面工程可以有效地调节NiSe2/CoSe2杂化材料中双金属中心的氧化还原活性，增强内硒化物与表面氧化物/氢氧化物之间的协同效应，从而优化与含氧物种的结合能，加速反应动力学。除此之外，合成的复合材料具有优异的可逆氧电催化性能，在半反应试验和可充电锌空气电池中具有低过电位、高效率和延长循环寿命的优异性能。
该研究深入地阐释了TMCs基异质界面的功能和结构演变，也为设计和开发其他一系列具有异质结构的先进材料奠定了基础。
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202000607
Xuerong Zheng, et al, Identifying Dense NiSe2/CoSe2 Heterointerfaces Coupled with Surface High-Valence Bimetallic Sites for Synergistically Enhanced Oxygen Electrocatalysis, Adv. Mater. 2020.
