铁取代的钴-磷多酸作为酸性介质中性能增强的析氧催化剂

韩新豹 王冬雪 Eduardo Gracia-Espino 骆昱晖 谭元植 卢冬飞 李阳光 Thomas Wågberg 王恩波 郑兰荪

引用本文: 韩新豹,  王冬雪,  Eduardo Gracia-Espino,  骆昱晖,  谭元植,  卢冬飞,  李阳光,  Thomas Wågberg,  王恩波,  郑兰荪. 铁取代的钴-磷多酸作为酸性介质中性能增强的析氧催化剂[J]. 催化学报, 2020, 41(5): 853-857. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63538-0 shu
Citation:  Xin-Bao Han,  Dong-Xue Wang,  Eduardo Gracia-Espino,  Yu-Hui Luo,  Yuan-Zhi Tan,  Dong-Fei Lu,  Yang-Guang Li,  Thomas Wågberg,  En-Bo Wang,  Lan-Sun Zheng. Fe-substituted cobalt-phosphate polyoxometalates as enhanced oxygen evolution catalysts in acidic media[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(5): 853-857. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63538-0 shu

铁取代的钴-磷多酸作为酸性介质中性能增强的析氧催化剂

  • 基金项目:

    det(2017-04862);瑞典能源署(Energimyndigheten,45419-1).

    国家自然科学基金(21771155,21721001);国家重点基础研究发展计划(2014CB845603,2017YFA0204902);国家重点研发计划(2017YFA0204902);瑞典Vetenskapsrå

摘要: 纯无机的非贵金属基双/三金属氢氧(氧)化物因其优异的析氧反应(OER)性能而得到广泛关注及研究.但这些催化剂的原子精度的结构表征较为困难,阻碍了人们对其构效关系的认识,从而影响了进一步对催化性能的精确调控.金属有机框架(MOFs)材料因具有明确的结构及化学组成可调等优点,可以作为一类结构确定的OER电催化剂,但是MOFs为有机配体和金属离子配位形成的框架材料,与金属氢氧(氧)化物结构类型不同.
多酸是由高氧化态的MoVI/V,WVI/V,VV/IV,NbV和TaV等组成的金属-氧簇.多酸尺寸介于分子与块体氧化物之间,可以被看作一种具有明确结构的分子氧化物.因此,多酸可用作模型体系从分子水平上探究金属氢氧(氧)化物催化剂的反应机理.此外,多酸已被证明是很有前景的非贵金属水氧化催化剂.
对于OER,酸性介质更具优势,因为它与碱性介质相比具有高能效、低欧姆损耗、易于产物分离等优点.但是,非贵金属OER电催化剂在酸性介质中很难稳定且性能通常不如贵金属催化剂.制备酸性介质中高效和稳定的非贵金属OER电催化剂仍然是一大挑战.
在本论文中,我们首先采用“原位同构取代”策略,将结构明确的[{Co4(OH)3PO4}4(SiW9O344]32-1)钴-磷多酸阴离子中的Co原子替换成Fe原子,合成了不同Fe含量的[{Fe2Co2(OH)3PO4}4(SiW9O344]24-2)和[{FeCo3(OH)3PO4}4(SiW9O344]28-3).然后通过离子交换,向123中引入Ba2+,成功合成了不溶于水的多酸阴离子结构维持的多相催化剂Ba[1],Ba[2]和Ba[3].性能最好的Ba[3]在0.5molL-1 H2SO4溶液中达到10mA cm-2的电流密度仅需要385mV过电位(无iR校正),比相同条件下无Fe取代的Ba[1]和商业IrO2催化剂的过电位分别低66mV和8mV.经过2000圈的循环伏安测试和24h的长时间电解测试,Ba[1],Ba[2]和Ba[3]均表现出较高的稳定性.另外,采用红外光谱(FT-IR)以及电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等多种表征测试手段进一步确认了它们的稳定性.
本文采用的“原位同构取代”策略为合成更高效的结构明确的多金属催化剂提供了新思路,同时也为进一步从分子水平上探索相关催化机理提供了难得的模型.

English

    1. [1] C. C. L. McCrory, S. Jung, I. M. Ferrer, S. M. Chatman, J. C. Peters, T. F. Jaramillo, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 4347-4357.

    2. [2] B. M. Hunter, H. B. Gray, A. M. Müller, Chem. Rev., 2016, 116, 14120-14136.

    3. [3] N.-T. Suen, S.-F. Hung, Q. Quan, N. Zhang, Y.-J. Xu, H. M. Chen, Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 337-365.

    4. [4] Y. Pi, Q. Shao, P. Wang, F. Lv, S. Guo, J. Guo, X. Huang, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 4502-4506.

    5. [5] I. A. Moreno-Hernandez, C. A. MacFarland, C. G. Read, K. M. Papadantonakis, B. S. Brunschwig, N. S. Lewis, Energy Environ. Sci., 2017, 10, 2103-2108.

    6. [6] J. Suntivich, K. J. May, H. A. Gasteiger, J. B. Goodenough, Y. Shao-Horn, Science, 2011, 334, 1383-1385.

    7. [7] R. D. L. Smith, M. S. Prévot, R. D. Fagan, Z. Z. Zhang, P. A. Sedach, M. K. J. Siu, S. Trudel, C. P. Berlinguette, Science, 2013, 340, 60-63.

    8. [8] M. Gong, Y. Li, H. Wang, Y. Liang, J. Wu, J. Zhou, J. Wang, T. Regier, F. Wei, H. Dai, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 8452-8455.

    9. [9] B. Zhang, X. Zheng, O. Voznyy, R. Comin, M. Bajdich, M. García-Melchor, L. Han, J. Xu, M. Liu, L. Zheng, F. P. G. D. Arquer, C. T. Dinh, F. Fan, M. Yuan, E. Yassitepe, N. Chen, T. Regier, P. Liu, Y. Li, P. D. Luna, A. Janmohamed, H. L. Xin, H. Yang, A. Vojvodic, E. H. Sargent, Science, 2016, 352, 333-337.

    10. [10] M. W. Kanan, D. G. Nocera, Science, 2008, 321, 1072-1075.

    11. [11] K. Jin, J. Park, J. Lee, K. D. Yang, G. K. Pradhan, U. Sim, D. Jeong, H. L. Jang, S. Park, D. Kim, N.-E. Sung, S. H. Kim, S. Han, K. T. Nam, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 7435-7443

    12. [12] S. L. Zhao, Y. Wang, J. C. Dong, C.-T. He, H. J. Yin, P. F. An, K. Zhao, X. F. Zhang, C. Gao, L. J. Zhang, J. W. Lv, J. X. Wang, J. Q. Zhang, A. M. Khattak, N. A. Khan, Z. X. Wei, J. Zhang, S. Q. Liu, H. J. Zhao, Z. Y. Tang, Nat. Energy, 2016, 1, 16184.

    13. [13] W. Cheng, X. Zhao, H. Su, F. Tang, W. Che, H. Zhang, Q. Liu, Nat. Energy, 2019, 4, 115-122.

    14. [14] M. Carraro, A. Sartorel, F. M. Toma, F Puntoriero, F. Scandola, S. Campagna, M. Prato, M. Bonchio, Top. Curr. Chem., 2011, 303, 121-150.

    15. [15] Q. S. Yin, J. M. Tan, C. Besson, Y. V. Geletii, D. G. Musaev, A. E. Kuznetsov, Z. Luo, K. I. Hardcastle, C. L. Hill, Science, 2010, 328, 342-345.

    16. [16] S. Tanaka, M. Annaka, K. Sakai, Chem. Commun., 2012, 48, 1653-1655.

    17. [17] F. Song, Y. Ding, B. Ma, C. Wang, Q. Wang, X. Du, S. Fu, J. Song, Energy Environ. Sci., 2013, 6, 1170-1184.

    18. [18] X.-B. Han, Z.-M. Zhang, Y.-G. Li, W. Lin, W.-S. You, Z.-M. Su, E.-B. Wang, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 5359-5366.

    19. [19] X.-B. Han, Y.-G. Li, Z.-M. Zhang, H.-Q. Tan, Y. Lu, E.-B. Wang, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 5486-5493.

    20. [20] L. Yu, X. Du, Y. Ding, H. Chen, P. Zhou, Chem. Commun., 2015, 51, 17443-17446.

    21. [21] L. Yu, Y. Ding, M. Zheng, Appl. Catal. B-Environ., 2017, 209, 45-52.

    22. [22] M. Zheng, Y. Ding, X. Cao, T. Tian, J. Lin, Appl. Catal. B-Environ., 2018, 237, 1091-1100.

    23. [23] M. Blasco-Ahicart, J. Soriano-López, J. J. Carbó, J. M. Poblet, J. R. Galan-Mascaros, Nat. Chem., 2018, 10, 24-30.

    24. [24] M. Martin-Sabi, J. Soriano-López, R. S. Winter, J.-J. Chen, L. Vilà-Nadal, D.-L. Long, J. R. Galán-Mascarós, L. Cronin, Nat. Catal., 2018, 1, 208-213.

    25. [25] W. Luo, J. Hu, H. Diao, B. Schwarz, C. Streb, Y.-F. Song, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 4941-4944.

    26. [26] Q. Han, D. Sun, J. Zhao, X. Liang, Y. Ding, Chin. J. Catal., 2019, 40, 953-958.

    27. [27] C. Shang, C. Cao, D. Yu, Y. Yan, Y. Lin, H. Li, T. Zheng, X. Yan, W. Yu, S. Zhou, J. Zeng, Adv. Mater., 2019, 31, 1805104.

    28. [28] C. Lei, H. Chen, J. Cao, J. Yang, M. Qiu, Y. Xia, C. Yuan, B. Yang, Z. Li, X. Zhang, L. Lei, J. Abbott, Y. Zhong, X. Xia, G. Wu, Q. He, Y. Hou. Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1801912.

    29. [29] X.-B. Han, X.-Y. Tang, Y. Lin, E. Gracia-Espino, S.-G. Liu, H.-W. Liang, G.-Z. Hu, X.-J. Zhao, H.-G. Liao, Y.-Z. Tan, T. Wagberg, S.-Y. Xie, L.-S. Zheng, J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 232‒239.

    30. [30] L. Ruhlmann, C. Costa-Coquelard, J. Canny, R. Thouvenot, Eur. J. Inorg. Chem., 2007, 11, 1493-1500.

    31. [31] M. Pope, Heteropoly and Isopoly Oxometalates, Springer, Berlin, 1983.

    32. [32] I. C. Man, H.-Y. Su, F. Calle-Vallejo, H. A. Hansen, J. I. Martínez, N. G. Inoglu, J. Kitchin, T. F. Jaramillo, J. K. Nørskov, J. Rossmeisl, ChemCatChem, 2011, 3, 1159-1165.

    33. [33] E. M. Fernández, P. G. Moses, A. Toftelund, H. A. Hansen, J. I. Martínez, F. Abild-Pedersen, J. Kleis, B. Hinnemann, J. Rossmeisl, T. Bligaard, J. K. Nørskov, Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 4683-4686.

    34. [34] J. S. Mondschein, J. F. Callejas, C. G. Read, J. Y. C. Chen, C. F. Holder, C. K. Badding, R. E. Schaak, Chem. Mater., 2017, 29, 950-957.

    35. [35] A. Li, H. Ooka, N. Bonnet, T. Hayashi, Y. Sun, Q. Jiang, C. Li, H. Han, R. Nakamura, Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 5054-5058.

    36. [36] R. Al-Oweini, A. Sartorel, B. S. Bassil, M. Natali, S. Berardi, F. Scandola, U. Kortz, M. Bonchio, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 11182-11185.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  144
  • 文章访问数:  1327
  • HTML全文浏览量:  674
文章相关
  • 收稿日期:  2019-07-30
  • 修回日期:  2019-08-28
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