具有晶格氧活化的无序岩盐结构高效析氧电催化剂

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文章信息

Zhengli Huan, Haipeng Fu, Xuerong Zheng, Huiming Ji. Disordered Rocksalts with Lattice Oxygen Activation as Efficient Oxygen Evolution Electrocatalysts. Trans Tianjin Univ,2023,

https://doi.org/10.1007/s12209-023-00363-0

https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-023-00363-0

PART02

本文亮点

1. 研究了无序岩盐催化剂的潜力，利用其独特的亚稳Li-O-Li键态，通过LOM过程加速OER。

2. 采用理论计算方法预测了Li1.2Co0.4Ti0.5O2(LCTO)等无序岩盐(DRX)的催化途径和活性。

PART03

内容简介

在追求先进的清洁能源转化和储存技术的过程中，析氧反应(OER)电催化被认为将发挥关键作用，它是燃料电池、金属-空气电池和水分解等几种电化学能源系统的核心反应。由于反应的四电子传递途径和由此导致的OER过程的缓慢催化动力学，OER的动力学可能决定了这些系统的反应速率和总体电-化学功率转换效率。迄今为止，基于Ir和Ru等材料是较好的OER催化剂。然而，它们受到稀缺性和高成本的限制。因此，原子级电催化剂(如单原子和纳米团簇)、氧化物、氢氧化物和硫化物已被开发出来以取代这些稀有材料。这些催化剂大多经过OER过程的吸附质演化机制(AEM)途径，其活性与pH无关。

本研究合成了具有典型无序岩盐结构的Li1.2Co0.4Ti0.5O2(LCTO)，并将其用作OER电催化剂。采用密度泛函理论(DFT)对LCTO的OER催化机理进行了预测。结果表明，OER过程通过LOM途径在LCTO上发生，以优化的吉布斯自由能(∆G)值作为决定步骤。此外，18O同位素检测和拉曼光谱分析表明，LCTO中的晶格氧很容易被激活，并通过LOM途径参与OER过程。在电流密度为10 mA/cm2时，LCTO的OER过电位为241 mV，并具有良好的稳定性。这项工作为设计和开发DRX催化剂通过LOM途径提高OER活性开辟了广阔的新化学空间。

PART04

图文导读

图1 （a）无序岩盐LCTO的晶体结构。（b）金属氧八面体图。（c） LiCoO2的晶体结构。（d）Co 3d波段中心和O 2p波段中心随Li含量的变化。（e） Li-O-Li在DRX中诱导氧配体活化示意图。

图2  提出了基于（a） AEM和（b） LOM途径的OER反应机理。DRX和LiCoO2上的（c） M (M = Co和Ti)和（d）表面O位对应的吉布斯自由能图，以及DRX中（e） Co离子、（f） Ti和（g） O的偏态密度(PDOS)，(EF =费米能)。

图3 DRX LCTO的（a-c）TEM图像、HRTEM图像和衍射图。（d） LCTO的相结构。（e） LCTO元素映射图像。

图4 （a）LCTO、LiCoO2和RuO2的over LSV曲线。（b）相应的Tafel图。（c）电流密度对LCTO、LiCoO2和RuO2扫描速率的影响。（d）LCTO在10 mA/cm2时的计时电位响应。

图5 （a） LCTO在pH分别为13.0、13.5、14.0、14.5的KOH溶液中的OER LSV曲线。（b） LCTO在1mol /L KOH和1mol /L TMAOH电解质中的over LSV曲线。（c）在TMAOH和KOH电解质中测试LCTO的拉曼光谱。（d） LCTO在1.0 mol/L KOH中不同CV循环下的拉曼光谱，有和没有18O标记。

PART05

通讯作者简介

郑学荣  

海南大学材料科学与工程学院教授。2020年获天津大学博士学位。他的研究领域集中在高效电催化剂的开发，并提出其在水分解和金属-空气电池中的应用。

季惠明  

天津大学材料科学与工程学院教授。2011年获天津大学博士学位。他的研究领域包括合成用于析氢、析氧和还原反应的先进电催化剂。

转自：“蔻享学术”微信公众号

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