于乐&楼雄文Angew.：Ni-Co-Fe基蛋黄-壳微棒催化剂用于OER!|fe|ni|nico|催化剂|化学

研究内容

在可预见的未来，由于化石燃料的快速消耗，可再生能源消费结构必将取代现有的能源消费结构。可再生能源的迫切需求推动了对探索高效能源转换技术的深入研究。探索地球上丰富而高效的析氧反应（OER）电催化剂是可持续能源储存和转换装置的关键。

北京化工大学于乐教授和新加坡南洋理工大学楼雄文教授通过两步转换过程，制备了一种分级Ni-CoFe氢（氧）氧化物@Ni-Co LDH蛋黄壳微棒（NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR）的析氧反应（OER）电催化剂。NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR电催化剂表现出278 mV的过电位以达到10 mA cm-2的电流密度，49.7 mV dec-1的小塔菲尔斜率以及在碱性介质中的良好稳定性。相关工作以“Construction of Ni-Co-Fe Hydr(oxy)oxide@Ni-Co Layered Double Hydroxide Yolk-shelled Microrods for Enhanced Oxygen Evolution”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1.作者首先金属-有机骨架MIL-88A（含铁MOF）微棒开始，2-甲基咪唑溶液中Co2+离子的存在导致MIL-88A相演化为CoFe-LDH，同时ZIF-67粒子在新形成的最外层周围自组装，一步转化反应形成钴-铁层状双氢氧化物（LDH）@沸石咪唑盐骨架-67（ZIF-67）蛋黄壳结构（CoFe-LDH@ZIF-67 YSMR）。然后，通过离子交换反应，Ni2+离子和CoFe-LDH@ZIF-67 YSMR进一步导致ZIF层转变为围绕内部Ni-Co-Fe氢（氧）氧化物微棒形成的互连Ni-Co-LDH纳米笼形成NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMRs）。

要点2.这种自组装策略可以扩展到生产ZnFe-LDH@ZIF-8 YSMRs和Zn-Co-Fe氢化物（氧）@Zn-CoZIF核壳微棒（ZnCoFe-HO@ZnCo-ZIF CSMR）。

要点3.相互连接的NiCo-LDH纳米笼可以通过毛细管效应加强质量传输。Ni-Co-Fe氢（氧）氧化物中的Ni和Co物种改变了内部Fe元素的化学环境，从而加速OER并抑制活性物种的溶解。因此，NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR电催化剂表现出278 mV的过电位，可提供10 mA cm-2的电流密度，具有49.7 mV dec-1的小塔菲尔斜率以及在碱性介质中的良好稳定性。

研究图文

图1. NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR和相关样本合成的示意图。

图2. MIL-88A MRs的（a，b）FESEM和（c）TEM。CoFe-LDH@ZIF-67 YSMR的（d，e）FESEM和（f）TEM图像。ZnFe-LDH@ZIF-8 YSMR的（g）FESEM和（h）TEM图像。ZnCoFe-HO@ZnCo-ZIF CSMR的（i）FESEM和（j）TEM图像。

图3. NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR的（a，b）FESEM和（c，d）TEM图像。（e） NiCo LDH外壳的晶格条纹。NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR的（f-i）STEM图像和元素映射图像。

图4. NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR、NiCo-LDH NS、CoFe-MIL MR和NiFe-LDH NC的（a）LSV曲线，（b）在j=10 mA cm-2时需要η以及（c）在η为350 mV时的j。NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR、NiCo-LDH NS、CoFe-MIL MR和NiFe-LDH NC的（d）Tafel图，（e）线性拟合电容∆j=ja-jc，相对于扫描速度（ja：阳极电流密度，jc：阴极电流密度），（f）ECSA以及（g）278 mV下的TOF值。（h）NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR在50 mV s-1下进行4000次连续CV扫描前后的LSV曲线。（i）NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMRs在280 mV的恒定η下持续11小时。

图5.（a）NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR的拉曼光谱。（b）NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR，NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR由NO2-中毒以及NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR由SCN-中毒的LSV曲线。（c）NiCoFe-HO@NiCo LDH YSMR和NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR在亚硝酸盐溶出区的被NO2-毒害的CV曲线。（d） NiCoFe-HO@NiCo-LDH YSMR施加1.5 V电压1小时前后的Fe 2p的XPS光谱。

文献详情

Construction of Ni-Co-Fe Hydr(oxy)oxide@Ni-Co Layered Double Hydroxide Yolk-shelled Microrods for Enhanced Oxygen Evolution

Qian Niu, Min Yang, Deyan Luan, Nian Wu Li, Le Yu* Xiong Wen (David) Lou*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.202213049

作者简介

于乐，北京化工大学化学工程学院教授、博士生导师。2008年本科毕业于山东大学，2011年硕士毕业于上海大学，2016年博士毕业于新加坡南洋理工大学，师从楼雄文教授。研究领域是新型微纳米结构功能材料设计与合成，尤其是中空纳米功能材料的优化设计与合成探索，并研究功能纳米材料在电化学储能转化领域，如锂/钠离子电容器、电池、电催化等的应用。

近年以共同作者身份在Science Advances、Nature Communications、Chem、Joule、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Energy & Environmental Science、Accounts of Chemical Research等国际学术期刊上发表论文90余篇，其中48篇ESI高被引论文。其中以11篇封面/内封底论文，1篇扉页论文和2篇VIP论文，SCI总引用20000余次，H-index为70。2018年入选科睿唯安(Clarivate Analytics)全球高引科学家名单(Cross-field, 跨学科领域)。2019、2020、2021连续三年入选科睿唯安(Clarivate Analytics)全球高引科学家名单(化学、材料科学双领域)。2021入选爱思唯尔(Elsevier)中国高被引学者（化学工程领域）。现任Energy & Environmental Materials、Green Energy & Environment 、《物理化学学报》、《稀有金属》青年编委、《山东化工》编委。讲授本科生课程《物理化学I》、《物理化学II》、《物理化学II实验》，讲授研究生课程《储能材料》。