Tungsten-Doped NiFe-Layered Double Hydroxides as Efficient Oxygen Evolution Catalysts

Xinxuan Duan Marshet Getaye Sendeku Daoming Zhang Daojin Zhou Lijun Xu Xueqing Gao Aibing Chen Yun Kuang Xiaoming Sun

Citation:  Xinxuan Duan, Marshet Getaye Sendeku, Daoming Zhang, Daojin Zhou, Lijun Xu, Xueqing Gao, Aibing Chen, Yun Kuang, Xiaoming Sun. Tungsten-Doped NiFe-Layered Double Hydroxides as Efficient Oxygen Evolution Catalysts[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(1): 230305. doi: 10.3866/PKU.WHXB202303055 shu

钨掺杂镍铁水滑石高效电催化析氧反应

    通讯作者: 邝允, kuangyun@mail.buct.edu.cn
    孙晓明, sunxm@mail.buct.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划项目 2021YFA1502200

    国家自然科学基金项目 21935001

    国家自然科学基金项目 22075013

    国家自然科学基金项目 22179029

    北京市自然科学重点基金项目 Z210016

    河北省科技计划项目 21344601D

摘要: 电解水对制备可持续和清洁的氢气能源至关重要。电解水的阳极析氧反应设计复杂的4-电子转移过程,所需能耗较高,是电解水的速控步骤。催化剂对于析氧反应的进行具有重要作用。镍铁水滑石是最具潜力的碱性非贵金属析氧反应(OER)催化剂,但是由于水滑石导电性差、活性位点暴露不充分、对反应中间体吸附较弱等问题,催化活性还需要进一步提高。如何提升催化活性已经被科学家们广泛关注,比如:制造缺陷、掺杂、将水滑石剥离为单层结构和组装为阵列结构等。在本论文中,通过简单的“一锅法”醇解合成了一系列不同量W掺杂NiFe-LDH的样品。XRD结果表明合成的NiFeW-LDH的衍射峰与完美NiFe-LDH标准卡片相同,没有其他的衍射峰,表明W没有单独成相,被成功掺杂进入NiFe-LDH。扫描电镜表明NiFeW-LDH为纳米片(尺寸约为~500 nm)组成的3d立体花状结构,且材料中Ni、Fe和W均匀分布。XPS表明材料中W的价态为6+,与未掺杂的NiFe-LDH相比,Fe向高价态移动,表面吸附的OH增多。在密度泛函理论(DFT)计算中,结果同样表明W6+掺杂有利于H2O和O*中间体的吸附,提高了Fe位点的活性。在1 mol∙L−1 KOH中,NiFeW-LDH达到10 mA∙cm−2所需过电位是199和237 mV,这比大多数的NiFe基粉末催化剂的性能好。综上,实验和计算表明W掺杂调控催化剂中Fe位点电子结构,优化对反应中间体的吸附,使催化剂具有更高活性。

English

    1. [1]

      Jiao, K.; Xuan, J.; Du, Q.; Bao, Z.; Xie, B.; Wang, B.; Zhao, Y.; Fan, L.; Wang, H.; Hou, Z.; et al. Nature 2021, 595, 361. doi: 10.1038/s41586-021-03482-7

    2. [2]

      Seh, Z. W.; Kibsgaard, J.; Dickens, C. F.; Chorkendorff, I.; Norskov, J. K.; Jaramillo, T. F. Science 2017, 355, 146. doi: 10.1126/science.aad4998

    3. [3]

      Debe, M. K. Nature 2012, 486, 43. doi: 10.1038/nature11115

    4. [4]

      Abe, J. O.; Popoola, A. P. I.; Ajenifuja, E.; Popoola, O. M. Int. J. Hydrog. Energy 2019, 44, 15072. doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.04.068

    5. [5]

      Ifkovits, Z. P.; Evans, J. M.; Meier, M. C.; Papadantonakis, K. M.; Lewis, N. S. Energy Environ. Sci. 2021, 14, 4740. doi: 10.1039/d1ee01226f

    6. [6]

      Nikolaidis, P.; Poullikkas, A. Renew. Sust. Energ. Rev. 2017, 67, 597. doi: 10.1016/j.rser.2016.09.044

    7. [7]

      Moysiadou, A.; Lee, S.; Hsu, C. S.; Chen, H. M.; Hu, X. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 11901. doi: 10.1021/jacs.0c04867

    8. [8]

      Shi, Z.; Wang, X.; Ge, J.; Liu, C.; Xing, W. Nanoscale 2020, 12, 13249. doi: 10.1039/d0nr02410d

    9. [9]

      Suen, N. T.; Hung, S. F.; Quan, Q.; Zhang, N.; Xu, Y. J.; Chen, H. M. Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 337. doi: 10.1039/c6cs00328a

    10. [10]

      Zhang, K.; Zou, R. Small 2021, 17, e2100129. doi: 10.1002/smll.202100129

    11. [11]

      Zou, X.; Zhang, Y. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 5148. doi: 10.1039/c4cs00448e

    12. [12]

      Wu, Z. P.; Lu, X. F.; Zang, S. Q.; Lou, X. W. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910274. doi: 10.1002/adfm.201910274

    13. [13]

      Mohammed-Ibrahim, J. J. Power Sources 2020, 448, 227375. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.227375

    14. [14]

      Gao, R.; Yan, D. Adv. Energy Mater. 2019, 10, 1900954. doi: 10.1002/aenm.201900954

    15. [15]

      Lv, L.; Yang, Z.; Chen, K.; Wang, C.; Xiong, Y. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803358. doi: 10.1002/aenm.201803358

    16. [16]

      Liu, R.; Wang, Y.; Liu, D.; Zou, Y.; Wang, S. Adv. Mater. 2017, 29, 1701546. doi: 10.1002/adma.201701546

    17. [17]

      Liang, H.; Meng, F.; Caban-Acevedo, M.; Li, L.; Forticaux, A.; Xiu, L.; Wang, Z.; Jin, S. Nano Lett. 2015, 15, 1421. doi: 10.1021/nl504872s

    18. [18]

      Gong, M.; Li, Y.; Wang, H.; Liang, Y.; Wu, J. Z.; Zhou, J.; Wang, J.; Regier, T.; Wei, F.; Dai, H. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 8452. doi: 10.1021/ja4027715

    19. [19]

      Zhou, D.; Cai, Z.; Lei, X.; Tian, W.; Bi, Y.; Jia, Y.; Han, N.; Gao, T.; Zhang, Q.; Kuang, Y.; et al. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701905. doi: 10.1002/aenm.201701905

    20. [20]

      Zhai, P.; Xia, M.; Wu, Y.; Zhang, G.; Gao, J.; Zhang, B.; Cao, S.; Zhang, Y.; Li, Z.; Fan, Z.; et al. Nat. Commun. 2021, 12, 4587. doi: 10.1038/s41467-021-24828-9

    21. [21]

      Li, P.; Wang, M.; Duan, X.; Zheng, L.; Cheng, X.; Zhang, Y.; Kuang, Y.; Li, Y.; Ma, Q.; Feng, Z.; et al. Nat. Commun. 2019, 10, 1711. doi: 10.1038/s41467-019-09666-0

    22. [22]

      Hu, Y.; Luo, G.; Wang, L.; Liu, X.; Qu, Y.; Zhou, Y.; Zhou, F.; Li, Z.; Li, Y.; Yao, T.; et al. Adv. Energy Mater. 2020, 11, 2002816. doi: 10.1002/aenm.202002816

    23. [23]

      Xie, Q.; Cai, Z.; Li, P.; Zhou, D.; Bi, Y.; Xiong, X.; Hu, E.; Li, Y.; Kuang, Y.; Sun, X. Nano Res. 2018, 11, 4524. doi: 10.1007/s12274-018-2033-9

    24. [24]

      Xiong, X.; Cai, Z.; Zhou, D.; Zhang, G.; Zhang, Q.; Jia, Y.; Duan, X.; Xie, Q.; Lai, S.; Xie, T.; et al. Sci. China Mater. 2018, 61, 939. doi: 10.1007/s40843-017-9214-9

    25. [25]

      Li, P.; Zhao, X.; Duan, X.; Li, Y.; Kuang, Y.; Sun, X. Sci. China Mater. 2019, 63, 356. doi: 10.1007/s40843-019-1215-9

    26. [26]

      Zhou, D.; Cai, Z.; Bi, Y.; Tian, W.; Luo, M.; Zhang, Q.; Zhang, Q.; Xie, Q.; Wang, J.; Li, Y.; et al. Nano Res. 2018, 11, 1358. doi: 10.1007/s12274-017-1750-9

    27. [27]

      Li, P.; Duan, X.; Kuang, Y.; Li, Y.; Zhang, G.; Liu, W.; Sun, X. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703341. doi: 10.1002/aenm.201703341

    28. [28]

      Chen, Q. Q.; Hou, C. C.; Wang, C. J.; Yang, X.; Shi, R.; Chen, Y. Chem. Commun. 2018, 54, 6400. doi: 10.1039/c8cc02872a

    29. [29]

      Zhou, Y. -N.; Yu, W. -L.; Cao, Y. -N.; Zhao, J.; Dong, B.; Ma, Y.; Wang, F. -L.; Fan, R. -Y.; Zhou, Y. -L.; Chai, Y. -M. Appl. Catal. B 2021, 292, 120150. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120150

    30. [30]

      Zhang, B.; Zheng, X.; Voznyy, O.; Comin, R.; Bajdich, M.; García-Melchor, M.; Han, L.; Xu, J.; Liu, M.; Zheng, L.; et al. Science 2016, 352, 6283. doi: 10.1126/science.aaf1525

    31. [31]

      Duan, X.; Li, P.; Zhou, D.; Wang, Y.; Liu, H.; Wang, Z.; Zhang, X.; Yang, G.; Zhang, Z.; Tan, G.; et al. Chem. Eng. J. 2022, 446, 136962. doi: 10.1016/j.cej.2022.136962

    32. [32]

      Lu, Z.; Xu, W.; Zhu, W.; Yang, Q.; Lei, X.; Liu, J.; Li, Y.; Sun, X.; Duan, X. Chem. Commun. 2014, 50, 6479. doi: 10.1039/c4cc01625d

    33. [33]

      Li, P.; Duan, X.; Kuang, Y.; Sun, X. Small 2021, 17, e2102078. doi: 10.1002/smll.202102078

    34. [34]

      Ženíšek, J.; Ondračka, P.; Čechal, J.; Souček, P.; Holec, D.; Vašina, P. Appl. Surf. Sci. 2022, 586, 152824. doi: 10.1016/j.apsusc.2022.152824

    35. [35]

      Yang, J.; Liu, H.; Martens, W. N.; Frost, R. L. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 111. doi: 10.1021/jp908548f

    36. [36]

      Man, I. C.; Su, H. Y.; Calle-Vallejo, F.; Hansen, H. A.; Martínez, J. I.; Inoglu, N. G.; Kitchin, J.; Jaramillo, T. F.; Nørskov, J. K.; Rossmeisl, J. ChemCatChem 2011, 3, 1159. doi: 10.1002/cctc.201000397

    37. [37]

      Bajdich, M.; Garcia-Mota, M.; Vojvodic, A.; Norskov, J. K.; Bell, A. T. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13521. doi: 10.1021/ja405997s

    38. [38]

      Yang, Y.; Wang, W. -J.; Yang, Y. -B.; Guo, P. -F.; Zhu, B.; Wang, K.; Wang, W. -T.; He, Z. -H.; Liu, Z. -T. J. Electrochem. Soc. 2022, 169, 024503. doi: 10.1149/1945-7111/ac4cda

    39. [39]

      Bi, Y.; Cai, Z.; Zhou, D.; Tian, Y.; Zhang, Q.; Zhang, Q.; Kuang, Y.; Li, Y.; Sun, X.; Duan, X. J. Catal. 2018, 358, 100. doi: 10.1016/j.jcat.2017.11.028

    40. [40]

      Xu, H.; Wang, B.; Shan, C.; Xi, P.; Liu, W.; Tang, Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 6336. doi: 10.1021/acsami.7b17939

    41. [41]

      Zhang, Y.; Cheng, C. -Q.; Kuai, C. -G.; Sokaras, D.; Zheng, X. -L.; Sainio, S.; Lin, F.; Dong, C. -K.; Nordlund, D.; Du, X. -W. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 17471. doi: 10.1039/d0ta06353c

    42. [42]

      Mefford, J. T.; Akbashev, A. R.; Kang, M.; Bentley, C. L.; Gent, W. E.; Deng, H. D.; Alsem, D. H.; Yu, Y. S.; Salmon, N. J.; Shapiro, D. A.; et al. Nature 2021, 593, 67. doi: 10.1038/s41586-021-03454-x

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  12
  • 文章访问数:  1201
  • HTML全文浏览量:  151
文章相关
  • 发布日期:  2024-01-15
  • 收稿日期:  2023-03-30
  • 接受日期:  2023-05-25
  • 修回日期:  2023-05-24
  • 网络出版日期:  2023-06-05
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