Cobalt-Vanadium Layered Double Hydroxides Nanosheets as High-Performance Electrocatalysts for Urea Oxidation Reaction

Yaoyu Liu Yuchen Wang Biying Liu Mahmoud Amer Kai Yan

Citation:  Yaoyu Liu, Yuchen Wang, Biying Liu, Mahmoud Amer, Kai Yan. Cobalt-Vanadium Layered Double Hydroxides Nanosheets as High-Performance Electrocatalysts for Urea Oxidation Reaction[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(2): 2205028-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202205028 shu

钴钒水滑石纳米片用于电催化尿素氧化

    通讯作者: 王宇辰, wangych235@mail.sysu.edu.cn
    严凯, yank9@mail.sysu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22078374

    国家重点研发计划 2020YFC1807600

    广东省重点领域研究发展计划 2019B110209003

    广东省基础与应用基础研究基金 2019B1515120058

    广州市科技计划项目 202206010145

摘要: 电解水是一种常用的制氢方法,但高能耗的阳极析氧反应(OER)阻碍了其应用。尿素氧化反应(UOR)具有较低的热力学电势,是最有前景的OER替代反应之一。过渡金属基水滑石具有独特的层状结构和层间阴离子可交换等优点,被认为是性能优异的UOR催化剂,然而目前大多数研究主要聚焦于后过渡金属元素。该研究通过一步法制备了具有前/后过渡金属的CoV-LDHs纳米片。与相同方法制备的Co(OH)2相比,CoV-LDHs纳米片具有以下优点:1)纳米片结构有利于暴露更多的活性位点。2) V的引入增强了CoV-LDHs的亲水性,提高了其本征电催化动力学。3) Co (3d74s2)和V (3d34s2)之间的d-电子补偿效应有利于促进尿素的吸附。因此,CoV-LDHs仅需要1.52 V (vs. RHE) 就可以达到10 mA∙cm−2的电流密度,比Co(OH)2低了70 mV,同时CoV-LDHs较低的塔菲尔斜率表明了其较快的反应动力学。此外,CoV-LDHs在连续反应10 h后,驱动电位几乎没有增加,表明其具有良好的稳定性。该研究结果不仅证明了前/后过渡金属之间的d-电子补偿效应可以提高UOR催化性能,还为设计高效的UOR催化剂提供了可行的途径。

English

    1. [1]

      Lagadec, M. F.; Grimaud, A. Nat. Mater. 2020, 19, 1140. doi: 10.1038/s41563-020-0788-3

    2. [2]

      Rausch, B.; Symes Mark, D.; Chisholm, G.; Cronin, L. Science 2014, 345, 1326. doi: 10.1126/science.1257443

    3. [3]

      He, Y.; Wang, T. L.; Zhang, M.; Wang, T. W.; Wu, L. F.; Zeng, L. Y.; Wang, X. P.; Boubeche, M.; Wang, S.; Yan, K.; et al. Small 2021, 17, 2006153. doi: 10.1002/smll.202006153

    4. [4]

      Yu, J.; Yu, F.; Yuen, M.-F.; Wang, C. J. Mater. Chem. A 2021, 9, 9389. doi: 10.1039/D0TA11910E

    5. [5]

      徐冰妍, 张应, 皮业灿, 邵琪, 黄小青. 物理化学学报, 2021, 37, 2009074. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009074Xu, B. Y.; Zhang, Y.; Pi, Y. C.; Shao, Q.; Huang, X. Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2009074. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009074

    6. [6]

      Zhu, B. J.; Liang, Z. B.; Zou, R. Q. Small 2020, 16, 1906133. doi: 10.1002/smll.201906133

    7. [7]

      Hu, S. A.; Tan, Y.; Feng, C. Q.; Wu, H. M.; Zhang, J. J.; Mei, H. J. Power Sources 2020, 453, 227872. doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.227872

    8. [8]

      Xie, J. F.; Qu, H. C.; Lei, F. G.; Peng, X.; Liu, W. W.; Gao, L.; Hao, P.; Cui, G. W.; Tang, B. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 16121. doi: 10.1039/C8TA05054F

    9. [9]

      Wang, Z. L.; Liu, W. J.; Hu, Y. M.; Guan, M.; Xu, L.; Li, H. P.; Bao, J.; Li, H. M. Appl. Catal. B: Environ. 2020, 272, 118959. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118959

    10. [10]

      Wang, K. L.; Hou, M. M.; Huang, W.; Cao, Q. H.; Zhao, Y. J.; Sun, X. J.; Ding, R.; Lin, W. W.; Liu, E. H.; Gao, P. J. Colloid Interf. Sci. 2022, 615, 309. doi: 10.1016/j.jcis.2022.01.151

    11. [11]

      Wang, Z. L.; Liu, W. J.; Bao, J.; Song, Y. J.; She, X. J.; Hua, Y. J.; Lv, G. A.; Yuan, J. J.; Li, H. M.; Xu, H. Chem. Eng. J. 2022, 430, 133100. doi: 10.1016/j.cej.2021.133100

    12. [12]

      Sun, H. C.; Zhang, W.; Li, J. G.; Li, Z. S.; Ao, X.; Xue, K. H.; Ostrikov, K. K.; Tang, J.; Wang, C. D. Appl. Catal. B: Environ. 2021, 284, 119740. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119740

    13. [13]

      Zhang, R.; Wei, Z. H.; Ye, G. Y.; Chen, G. J.; Miao, J. J.; Zhou, X. H.; Zhu, X. W.; Cao, X. Q.; Sun, X. N. Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101758. doi: 10.1002/aenm.202101758

    14. [14]

      Cao, Q. H.; Yuan, Y. H.; Wang, K. L.; Huang, W.; Zhao, Y. J.; Sun, X. J.; Ding, R.; Lin, W. W.; Liu, E. H.; Gao, P. J. Colloid Interf. Sci. 2022, 618, 411. doi: 10.1016/j.jcis.2022.03.054

    15. [15]

      Ma, T. F.; Xu, W. W.; Li, B. R.; Chen, X.; Zhao, J. J.; Wan, S. S.; Jiang, K.; Zhang, S. X.; Wang, Z. F.; Tian, Z. Q.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 22740. doi: 10.1002/anie.202110355

    16. [16]

      Jakšić, M. M. J. Mol. Catal. 1986, 38, 161. doi: 10.1016/0304-5102(86)87056-0

    17. [17]

      Zhou, L.; Zhang, C.; Zhang, Y. Q.; Li, Z. H.; Shao, M. F. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2009743. doi: 10.1002/adfm.202009743

    18. [18]

      Gong, W. Z.; Wang, M. J.; An, Y.; Wang, J. L.; Zhou, L. X.; Xia, Y.; Wang, C. J.; Dong, K.; Pan, C.; Zhou, R. F. J. Energy Storage 2021, 38, 102579. doi: 10.1016/j.est.2021.102579

    19. [19]

      Lee, S. C.; Kim, M.; Park, J.-H.; Kim, E. S.; Liu, S. D.; Chung, K. Y.; Seong, C. J. J. Power Sources 2021, 486, 229341. doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.229341

    20. [20]

      Wang, Y. C.; Chen, Z.; Zhang, M.; Liu, Y. Y.; Luo, H. X.; Yan, K. Green Energy Environ. 2022, 7, 1053. doi: 10.1016/j.gee.2021.01.019

    21. [21]

      Eisa, T.; Park, S.-G.; Mohamed, H. O.; Abdelkareem, M. A.; Lee, J.; Yang, E.; Castaño, P.; Chae, K.-J. Energy 2021, 228, 120584. doi: 10.1016/j.energy.2021.120584

    22. [22]

      Liu, J. Z.; Ji, Y. F.; Nai, J. W.; Niu, X. G.; Luo, Y.; Guo, L.; Yang, S. H. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 1736. doi: 10.1039/C8EE00611C

    23. [23]

      Huang, G. Q.; Zhao, L.; Yuan, S. S.; Li, N.; Jing, S. B. Int. J. Hydrogen Energy 2022, 47, 14767. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.02.223

    24. [24]

      Wang, Z. P.; Chen, L.; Xu, S. D.; Zhang, D.; Zhou, X. X.; Wu, X.; Xie, X. M.; Qiu, X. Y. Compos. Commun. 2021, 27, 100780. doi: 10.1016/j.coco.2021.100780

    25. [25]

      He, D. Y.; Cao, L. Y.; Huang, J. F.; Kajiyoshi, K.; Wu, J. P.; Wang, C. C.; Liu, Q. Q.; Yang, D.; Feng, L. L. J. Energy Chem. 2020, 47, 263. doi: 10.1016/j.jechem.2020.02.010

    26. [26]

      Li, C. F.; Xie, L. J.; Zhao, J. W.; Gu, L. F.; Wu, J. Q.; Li, G. R. Appl. Catal. B: Environ. 2022, 306, 121097. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121097

    27. [27]

      Zhang, B. J.; Pan, C. T.; Liu, H. J.; Wu, X. S.; Jiang, H. L.; Yang, L.; Qi, Z. M.; Li, G.; Shan, L.; Lin, Y. X.; et al. Chem. Eng. J. 2022, 439, 135768. doi: 10.1016/j.cej.2022.135768

    28. [28]

      Geng, S. K.; Zheng, Y.; Li, S. Q.; Su, H.; Zhao, X.; Hu, J.; Shu, H. B.; Jaroniec, M.; Chen, P.; Liu, Q. H.; et al. Nat. Energy 2021, 6, 904. doi: 10.1038/s41560-021-00899-2

    29. [29]

      Chen, W.; Xu, L. T.; Zhu, X. R.; Huang, Y.-C.; Zhou, W.; Wang, D. D.; Zhou, Y. Y.; Du, S. Q.; Li, Q. L.; Xie, C.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 7297. doi: 10.1002/anie.202015773

    30. [30]

      Chen, W.; Xie, C.; Wang, Y. Y.; Zou, Y. Q.; Dong, C.-L.; Huang, Y.-C.; Xiao, Z. H.; Wei, Z. X.; Du, S. Q.; Chen, C.; et al. Chem 2020, 6, 2974. doi: 10.1016/j.chempr.2020.07.022

    31. [31]

      Ji, Z. J.; Song, Y. J.; Zhao, S. H.; Li, Y.; Liu, J.; Hu, W. P. ACS Catal. 2022, 12, 569. doi: 10.1021/acscatal.1c05190

    32. [32]

      Yan, H. J.; Xie, Y.; Wu, A. P.; Cai, Z. C.; Wang, L.; Tian, C. G.; Zhang, X. M.; Fu, H. G. Adv. Mater. 2019, 31, 1901174. doi: 10.1002/adma.201901174

    33. [33]

      Li, S. D.; Fan, J. C.; Li, S. Y.; Ma, Y.; Wu, J. H.; Jin, H. G.; Chao, Z. S.; Pan, D.; Guo, Z. H. J. Nanostruct. Chem. 2021, 11, 735. doi: 10.1007/s40097-021-00441-6

    34. [34]

      Ge, J. H.; Liu, Z. F.; Guan, M. H.; Kuang, J.; Xiao, Y. H.; Yang, Y.; Tsang, C. H.; Lu, X. Y.; Yang, C. Z. J. Colloid Interf. Sci. 2022, 620, 442. doi: 10.1016/j.jcis.2022.03.152

    35. [35]

      Wei, S.; Wang, X. X.; Wang, J. M.; Sun, X. P.; Cui, L.; Yang, W. R.; Zheng, Y. W.; Liu, J. Q. Electrochim. Acta 2017, 246, 776. doi: 10.1016/j.electacta.2017.06.068

    36. [36]

      Hu, Q.; Zhu, B.; Li, G. M.; Liu, X. F.; Yang, H. P.; Sewell, C. D.; Zhang, Q. L.; Liu, J. H.; He, C. X.; Lin, Z. Q. Nano Energy 2019, 66, 104194. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104194

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3
  • 文章访问数:  193
  • HTML全文浏览量:  15
文章相关
  • 发布日期:  2023-02-15
  • 收稿日期:  2022-05-12
  • 接受日期:  2022-06-09
  • 修回日期:  2022-06-06
  • 网络出版日期:  2022-07-06
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章