第一作者：周天凝
通讯作者：景晓飞，弓亚琼
通讯单位：中北大学，东北师范大学
论文DOI：10.1016/j.jcis.2022.01.139
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近日，中北大学弓亚琼教授团队在国际知名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上发表题为 “Selenide-based 3D Folded Polymetallic Nanosheets for aHighly Efficient Oxygen Evolution Reaction”的研究性论文。文章通过电沉积以及化学气相沉积的方式在导电基底泡沫镍(NF)上成功组装了具有多孔隙褶皱状结构的Mn-Co0.85Se/NiSe2纳米片，Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF展现出优越的OER催化活性，这一工作为硒基OER催化剂的设计和合成提供了一个新的设计方向。 氢能具能量转换效率高、能量密度高、二氧化碳零排放、环境相容性好等特点。利用可再生电能进行电化学水分解是一项很有应用前景的环境友好型技术，为未来的氢经济提供了切实可行的策略。析氧反应（OER）由于其四电子转移机制（4OH- → 2H2O + O2 +4e-），具有较高的动力学能垒，被认为是电解水、金属-空气电池、二氧化碳还原等反应过程中的关键反应步骤。迄今为止，二氧化铱 (IrO2) 和二氧化钌 (RuO2) 被认为是综合性能最好且应用最为广泛的OER电催化剂，但稀缺性和高成本严重地限制了贵金属催化材料大规模的商业应用。因此, 开发价格低廉且效能较高、性能稳定的可替代贵金属催化剂的新型OER电催化剂对于新型能源的开发具有十分重要的意义。1. 通过对电沉积在导电基底泡沫镍上的CoMn前体进行高温硒化成功合成了Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF纳米片。2. 多孔隙的三维褶皱纳米片结构为催化反应提供丰富的活性位点。3. 多金属协同调控电子结构，优化OER过程的反应动力。4. Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF表现出优异的OER活性 (175 mV @ 10 mA cm-2)图1 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的合成路线图图2 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的SEM图图3 XRD图 (a)Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF,(b，c) Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF和Se-Pre-Co/NF图4 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF:(a, b) TEM图, (c)HRTEM图, (d) SADE图; (e, f) EDX图谱以泡沫镍为导电基底，采用电沉积的方式在泡沫镍骨架上均匀地负载了CoMn双金属纳米片, 之后采用化学气相沉积的方式将其转化为具有三维多孔隙褶皱结构的硒化物纳米片。SEM图中多孔隙的Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF纳米片之间存在大量的空腔，为催化反应的进行和反应物质的转移、扩散提供了丰富的位点和通道。XRD测试表明30.1°,33.8°,43°和33.2°, 50.4°,62.1°处的衍射峰分别对应NiSe2和Co0.85Se的标准卡片。与不含Mn的样品（Se-Pre-Co/NF）的XRD数据相比，Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF衍射峰的轻微偏移也说明了Mn元素的成功掺杂。HRTEM中的代表着NiSe2和Co0.85Se的晶格条纹和EDX mapping中微量的Mn元素表明Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的成功合成。图5 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的电子结构表征图6 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF与Se-Pre-Co/NF中Co，Ni电子结构对比图对比了Mn引入前后体系中Co, Ni元素的电子结构变化，可以发现引入Mn之后，Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF中Co 2p3/2和Ni 2p3/2衍射峰向低结合能方向出现了不同程度的偏移，并且Co3+，Ni3+离子的含量增加。高价态的过渡金属离子有益于OER过程的电子传递，从而大大提升材料的催化活性。图7 Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF的电化学性能得益于独特的多孔隙结构和多金属之间的协同作用，Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF表现出优异的OER活性 (175 mV @ 10 mA cm-2)，塔菲尔斜率仅为33.26mV dec-1，优于大多数先进的OER电催化剂。电沉积被认为是一种简单且高效的制备功能性材料的方法，电沉积法可以通过调节单体在界面处的氧化/还原反应来控制电沉积产物的形貌，厚度以及掺杂状态。本文采用简便的电沉积及化学气相沉积的方式在导电基底泡沫镍上成功组装了具有高OER活性的Mn-Co0.85Se/NiSe2/NF催化材料。多孔隙的表面结构确为催化反应的顺利进行提供了丰富的反应位点和气体释放通道，多金属之间的协同作用有效调整了体系中的电子结构，大大提升了催化材料的本征催化活性。本工作为电沉积的应用及硒基OER催化剂的设计提供了一种可行的策略。通讯作者：弓亚琼，中北大学，教授，博导。主要从事功能化纳米材料的设计及其在能源领域的应用 (电解水、 燃料电池等)。近年来，以第一作者/通讯作者在Applied Catalysis B: Environmental, Journal of Energy Chemistry, Journal of Materials Chemistry A， Applied Surface Science 等刊物发表SCI收录论文50余篇，授权中国发明专利2项，主持国家自然科学基金青年项目，山西省重点研发国际合作项目等多项课题。第一作者：周天凝，中北大学硕士二年级研究生，主要研究方向为电催化材料的合成与性能研究。
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