中國地質(zhì)大學（武漢）蔡釗教授玻璃態(tài)氫氧化物電極材料最新研究成果

氫能是一種典型的未來能源，電解水技術(shù)是規(guī)模化制氫的潛在解決方案。然而陽極析氧半反應(yīng)（OER）過電勢較高，限制著電解水反應(yīng)的能量效率。現(xiàn)有的Ir/RuO₂貴金屬催化劑價格昂貴，不利于大規(guī)模應(yīng)用。開發(fā)廉價高效的析氧電催化劑材料是電解水制氫研究的關(guān)鍵之一。氫氧化物材料，特別是鎳鐵基層狀雙金屬氫氧化物（NiFe LDH），具有高比表面積和金屬比例可調(diào)等獨特性質(zhì)，是電解水貴金屬催化劑理想替代材料之一，被廣泛用于納米催化領(lǐng)域。然而，NiFe LDH材料電催化活性仍有待提高?，F(xiàn)有NiFe LDH材料的改性策略多基于其晶體結(jié)構(gòu)的調(diào)控，基于非晶態(tài)、特別是玻璃態(tài)的結(jié)構(gòu)的氫氧化物材料調(diào)控還鮮有涉及。更重要的是，玻璃態(tài)材料的無序結(jié)構(gòu)有利于金屬活性位點的充分暴露，從而提升電極材料的電解水性能。

針對上述問題，中國地質(zhì)大學（武漢）儲能與環(huán)境催化團隊（PI: 周成岡 教授/副院長）的蔡釗教授通過低溫共沉淀和異價元素摻雜手段制備出一種全新的鎳鐵基玻璃態(tài)電催化材料（G-LDH）。通過HRTEM/XRD/PDF表征證明其短程有序、長程無序的無定形結(jié)構(gòu)。相應(yīng)G-LDH電催化材料展現(xiàn)了較低的OER催化活性，在20 mA cm^-2的電流密度下反應(yīng)的過電勢為269 mV，低于晶態(tài)NiFe LDH和RuO₂催化劑材料。原位拉曼和DFT理論計算進一步發(fā)現(xiàn)G-LDH能在低過電位下促進反應(yīng)關(guān)鍵中間體（O*）的吸附，并轉(zhuǎn)化形成金屬過氧化物（M-OOH），從而有效降低反應(yīng)過電勢。

研究者相信，該工作通過構(gòu)建短程有序、長程無序的玻璃態(tài)氫氧化物材料，有效調(diào)整了材料活性位點的電子結(jié)構(gòu)和數(shù)量，提升了電解水性能。這為下一代高活性玻璃態(tài)電極材料的設(shè)計提供了新的思路。2024年2月20日，相關(guān)工作以《Glassy State Hydroxide Materials for Oxygen Evolution Electrocatalysis》為題發(fā)表在期刊Small上（DOI: 10.1002/smll.202312168）。論文第一作者為博士研究生王靜。研究使用的原位電化學池及原位拉曼的測試表征技術(shù)得到合肥原位科技有限公司的支持與幫助。

圖1短程有序、長程無序的氫氧化物材料及其析氧電催化性能研究