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過渡金屬氧化物與碳基納米材料(如尖晶石NiFe2O4和2D氧化石墨烯)的結(jié)合催化析氧反應(yīng)是最近發(fā)表在《天津大學(xué)學(xué)報》上的一項研究課題。
將可持續(xù)能源轉(zhuǎn)化為氫形式的生物化學(xué)燃料的最重要的過程之一是電催化析氧反應(yīng)(OER)。然而，開發(fā)合適、低成本、高效、高壽命的OER電催化劑仍然是一個重大問題。
過渡金屬與活性炭納米材料(如NiFe2O4和氧化石墨烯)的融合是一種很有前途的發(fā)展先進(jìn)催化劑的方法。NiFe2O4與2D氧化石墨烯的強大性能是由于其獨特的形狀，更高的暴露活性區(qū)域，以及具有較大表面積的高孔隙率。
電化學(xué)水分解反應(yīng)
世界能源消耗正在迅速增長，化石燃料供應(yīng)無法滿足預(yù)測的未來需求。此外，化石燃料的廣泛使用對生態(tài)系統(tǒng)和生物體的健康有有害影響。
由于這些問題，全球已經(jīng)開展了大量工作，以開發(fā)清潔、易于生產(chǎn)和低成本的可再生能源技術(shù)。其中最有趣的發(fā)電過程之一是電化學(xué)水分解過程，它由兩個半反應(yīng)組成:陰極上的析氫反應(yīng)(HER)和陽極上的析氧反應(yīng)(OER)。這種方法有幾個優(yōu)點，包括高效率、低毒性和生態(tài)友好性。
（Schematic of the synthesis process of NFO/rGO, NFO/SWCNT, and NFO/MWCNT. ? Shinde, P. V. et al. (2021)）
析氧反應(yīng)(OER)的電催化
雖然水電解是一種很有前途的清潔能源的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化方法，但它的缺點是OER的反應(yīng)速度慢，需要一個大于熱水氧化電位來完成氧的釋放。因此，生產(chǎn)性能優(yōu)良的電催化劑十分重要。
直到最近，最先進(jìn)的催化劑都是用有價值的釕和銥材料生產(chǎn)的。然而，由于它們的高成本和在地球上的稀缺性，它們的廣泛使用受到了嚴(yán)重的阻礙。此外，對于潛在的實現(xiàn)來說，它們的穩(wěn)定性是一個顯著的缺點。
已經(jīng)開展了大量的科學(xué)工作，以開發(fā)耐用的OER催化劑，這種催化劑價格低廉，在地球上儲量豐富，并且能夠滿足水分解過程的電解標(biāo)準(zhǔn)。
（Low- and high-resolution FESEM images of a, b NFO/SWCNT, c, d NFO/MWCNT, and e, f NFO/rGO. ? Shinde, P. V. et al. (2021)）
過渡金屬氧化物具有成本低廉、供應(yīng)充足、無毒等優(yōu)點，是一種很有前途的OER工藝材料。它們還具有有趣的電解和化學(xué)性能。最近，過渡金屬基尖晶石型氧化物，如NiFe2O4，已經(jīng)成為超導(dǎo)體、電池組和傳感器系統(tǒng)中使用的高效電極材料。
除了價格便宜之外，碳納米材料還具有耐用性、可生物降解性、環(huán)境友好性和儲量豐富等特點。石墨烯作為一種孤立的石墨薄片，由于其獨特的機械、生物化學(xué)、電學(xué)和電荷轉(zhuǎn)移特性而被廣泛應(yīng)用。除了不使用稀土金屬的成本優(yōu)勢外，采用碳納米材料(如氧化石墨烯和碳納米管)在OER應(yīng)用中的另一個顯著優(yōu)勢是其組成的靈活性。它們可以作為多種材料的支撐，從而提高了材料的電導(dǎo)率。
在本研究中，研究了由過渡金屬氧化物(NiFe2O4)和碳基納米材料(2D氧化石墨烯和1D CNTs)制成的雜化材料，作為電解OER應(yīng)用的潛在優(yōu)勢策略。
活性炭納米材料的電導(dǎo)率及其與金屬位點的組合影響被認(rèn)為是提高氧析出反應(yīng)緩慢動力學(xué)速率的原因。
（a Comparison of the OER performance of the synthesized catalyst, b schematic of the mechanism of the OER on the catalyst surface.? Shinde, P. V. et al. (2021)）
研究發(fā)現(xiàn)
2D氧化石墨烯表面具有豐富的OER反應(yīng)位點，其催化性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于1D CNT表面。當(dāng)電流密度為10 mA/cm2, Tafel梯度為103 mV/dec時，NiFe2O4與二維氧化石墨烯雜化物具有良好的穩(wěn)定性和電解性能。這是因為它獨特的形狀，更容易接觸的反應(yīng)種類，高孔隙率的表面與大的接觸面積。
總之，本研究通過尖晶石NiFe2O4雜化物研究了氧化石墨烯和碳納米管對OER性能的影響。這種金屬氧化物與活性炭的雜化為開發(fā)一種有效的水裂解反應(yīng)電催化劑提供了有趣的基礎(chǔ)。
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