背景介紹
具有巨大潛力的過渡金屬羥基氧化物可用於多種催化氧化反應。FeOOH因其天然豐度和成本效益而受到廣泛關註。同時，一體化電催化劑可以降低接觸電阻，暴露出更多的活性位點，使氣體溢位更加直接，但目前一步合成一體化FeOOH電極仍是一大挑戰。同時，FeOOH催化劑的研究還存在形態控制機制不明確的問題，阻礙了其套用與發展。
電沈積法可透過控制電解液成分、施加電流和電壓，快速高效地制備不同成分和結構的負載型催化劑。根據帕松-波爾茲曼模型，催化劑帶負電表面之間的電雙層（EDL）斥力主要受其厚度（即Debye長度）影響。理論上，改變Debye長度可以改變兩個帶電粒子之間的EDL排斥力，進而影響電沈積過程。
成果簡介
青島科技大學王磊教授和賴建平教授團隊 采用一步電沈積法合成了Co引入的一體化FeOOH電催化劑，並提出引入不同價態的離子，透過精確調控EDL的組成和厚度來調節FeOOH的形態。
密度泛函理論計算和相應的物理表征共同證明了Co在FeOOH結構中具有很強的電子捕獲和氫吸收能力，進而促進了FeOOH的形成和穩定。在不引入其他離子的情況下，Co-FeOOH呈現出塊狀結構。在電解液中引入La3+作為高價競爭離子，可以降低EDL的厚度並減弱沈積過程中的斥力，從而形成更致密的塊狀結構。相反引入低價K+離子可以增加EDL的厚度並增強沈積過程中的斥力，從而形成片狀結構。
電化學測試結果表明，與Co-FeOOH和Co-FeOOH-La3+相比，Co-FeOOH-K+在堿性電解液中表現出最佳的OER活性，其僅需要243、280和292 mV的過電位就能達到100、500和1000 mA·cm-2的電流密度。優異的催化活性是由於Co-FeOOH-K+的結構更薄，可以暴露出更多的活性位點和更大的電化學活性面積。
綜上，本工作所報道的調節策略可用於合成和調節其他過渡金屬羥基氧化物的形態，並可延伸套用於其他催化反應中。
圖文導讀
圖1. Co-FeOOH、Co-FeOOH-La3+和Co-FeOOH-K+的合成示意圖。
圖2.（a）CoFeOOH、（b）CoFeOOH-La3+和（c）CoFeOOH-K+的SEM影像；（d）CoFeOOH、（e）CoFeOOH-La3+和（f）CoFeOOH-K+的TEM影像；（g）CoFeOOH-K+的HAADF-STEM影像及其EDX圖譜。
圖3.（a）XRD譜圖；（b）拉曼光譜圖；（c）XPS全譜圖；（d）O 1s XPS光譜圖；（e）Co 2p XPS光譜圖；以及（f）Fe 2pXPS光譜圖；（g）Co-FeOOH和（h）Co-FeOOH-H的示意模型。藍色、綠色、粉色和白色球分別表示 Fe、Co、O和H原子。（i）FeOOH和Co-FeOOH上O位點的氫化形成能。
圖4. Co-FeOOH的生長模型（a）CoFe電解質；（b）含M3+的CoFe電解質和（c）含M+的CoFe電解質。
圖5.不同催化劑在1.0 M KOH溶液中的電催化OER效能研究。（a）OER 極化曲線；（b）電流密度為100 mA cm-2、500 mA cm-2和1000 mA cm-2時的過電位；（c）Tafel斜率；（d）阻抗對比圖；（e）ECSA對比圖；（f）TOF對比圖；（g）Co-FeOOH-K+在多次迴圈前後的OER極化曲線，以及透過計時電流測試進行的耐久性評估。(h) Co-FeOOH-K+與之前報道的電催化劑的OER活性比較。
作者簡介
賴建平 ，教授，青島科技大學化學與分子工程學院，博士生導師，泰山學者青年專家，山東省優青。主要從事超小納米（2-5 nm）金屬基能源電催化材料研究，發表SCI論文一百余篇，其中以通訊作者和第一作者身份在 Nat. Commun .(2), Chem, Joule, ACS Cent. Sci.,Energy Environ. Sci. (2), Adv. Mater., Adv. Energy Mater .(5), Adv. Funct. Mater. (3), Nano Lett .(2), Appl. Catal. B: Environ .(14)等國際著名期刊上發表SCI論文八十余篇，影響因子10以上六十余篇。主持科研專案包括山東省泰山學者人才工程計劃專案、山東省優秀青年基金、國家青年基金等專案。作為主要完成人獲得教育部高等學校科學研究優秀成果獎一等獎、中國顆粒學會自然科學獎二等獎、中國石油和化學工業聯合會科技進步三等獎、中國科學院院長優秀獎。擔任Ecoenergy雜誌青年編委。
王磊 ，教授，山東省傑青，博士生導師，2006年於吉林大學獲無機化學博士學位。長期從事無機微納米材料的可控合成及其在綠色能源等相關領域的套用，已在 Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., ACS Nano, Nano Energy, ACS Cent. Sci，Appl. Catal. B: Environ., Science China Chem ., 中國科學、科學通報等國內外重要學術期刊上發表SCI論文四百余篇, 其中通訊作者影響因子大於10.0的論文180余篇。作為第一完成人獲中國石油和化學工業聯合會科技進步獎、中國可再生能源學會科學技術人物獎等獎勵。
文章資訊
Liu J, Shi Y, Gu Y, et al. Regulate electric double layer for one-step synthesize and modulate the morphology of (oxy)hydroxides. Nano Research, 2023
