2020-10-14
析氧反应（OER）作为近年来备受关注的电催化反应，在燃料电池、分解水以及可充金属-空气电池等可再生能源转换领域扮演着不可替代的角色。然而，多电子转移过程（4OH－→2H2O+O2+4e-）会导致缓慢的反应动力学，限制可再生能源技术的商业化。构建金属/金属化合物负载型催化剂一方面能够减少贵金属的使用，防止在催化过程中发生团聚，另一方面异质界面处能够产生强烈的电子相互作用，优化电子结构，进而调节对OER反应历程中中间产物的吸脱附，实现活性提升。然而，目前实现金属颗粒的负载主要通过光解、热解或者还原剂法，不仅需要消耗能量而且金属与载体之间多以落附的方式存在，界面结合力弱且复合效果相对较差。因此，探索一种制备简单、高效、绿色的金属基负载型催化材料的制备策略具有重要意义。
Figure 1. Schematic illustration of synthetic procedures for Ag NPs decorated Co(OH)2 nanosheets.
近日，团队硕士生张昭通过一种基于在室温下自发性氧化还原反应（spontaneous redox reaction，SRR）的新策略，成功制备了金属/过渡金属氢氧化物复合材料。利用载体M(OH)2（M=Co，Ni）与金属Ag＋之间的标准氧化还原电位之差为反应驱动力，实现了在层状M(OH)2表面均匀沉积Ag纳米粒子，实现了两者之间紧密而稳定界面结构的形成。分析结果表明，利用SRR合成出的Ag纳米颗粒粒径在5 nm左右，并且分布均匀。此方法还可以拓展到其他的金属种类和基底材料，表明这种合成策略具有一定的普适性。
Figure 2. (a-c) SEM, (d-f) TEM and (g-i) EDS images of Ag@Co(OH)x/CC.
用于在碱性溶液中催化OER时，Ag@Co(OH)x展现了出色的反应活性和稳定性，通过实验和理论分析，高效的催化活性归因于Ag纳米颗粒与载体之间存在着强烈电子相互作用，表面的Ag纳米颗粒对反应中间体的结合能得到有效地优化，进而成为OER反应活性位点，相对于传统的Ag/C材料，金属Ag的本征活性大幅提升。基于其绿色、简单的制备方法和优异的性能，开发出的复合电极材料在碱性电分解水、柔性可充金属空气电池等领域有着良好的应用前景。
Figure 3. The differential charge density, electronic structure and calculated OER energy diagrams.
以上研究表明，通过自发反应法成功实现了金属/氢氧化物负载型结构的构建，过渡金属氢氧化物与金属纳米颗粒之间存在着强金属-基底电子相互作用，能够有效改善Ag的电子结构，从而大幅提升其本征催化活性，研究结果为金属基复合电催化材料的设计研发提供了新的思路。这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，通讯作者为韩晓鹏副教授和胡文彬教授。
