第一作者：Xuezhi Qiao
通讯作者：王铁 教授
通讯单位：天津理工大学，中科院化学所，山东大学
在泡沫镍上具有可变形堆叠三维纳米片上层结构的钴镍硫化物应用于电化学制氢的 OER 催化过程。这些具有随机方向的自主变形极大地加速了气-液-固三相非均相催化中的气泡分离和强制对流，提高了催化性能。
背景介绍
由于使用化石燃料资源，环境污染加剧，而氢气作为一种清洁且可持续的能源，是替代化石燃料的理想候选者。在各种制氢技术中，水电解技术成熟且前景广阔。阳极的析氧反应 (OER) 比阴极的析氢反应 (HER) 更耗能；因此，高活性和稳定的 OER 是电化学水分解的关键。
电催化剂通过促进所需的电子转移以及化学键的形成和断裂来加速 OER。在过去的十年中，通过改变催化剂的组成和物理结构，人们在设计催化剂的电子结构方面付出了巨大的努力。特别是，作为非均相催化反应，三相界面上的气体分离和传质 该反应极大地影响了OER效率。气态产物附着在固体催化剂表面并逐渐生长，覆盖大面积的催化活性位点，如图 1A 所示。有限的传质速率阻碍了液体反应物的扩散并影响反应效率。在这方面，反应物的有效混合有利于多相催化中的传质，从而提高反应速率并降低能耗。此外，催化剂的机械搅拌和震颤会阻碍气泡附着在表面上，从而 气泡可以迅速分离，从而暴露出更具电化学活性的区域，如图 1B 所示。
本文要点
1. 作者报告了一种高效的析氧反应（OER）策略，构筑了一种灵活的可变形材料，可以被用作电化学反应的催化剂。
2.结合数值模拟，作者确定了在受到电场作用以加速气泡分离和强制对流时弯曲的纳米片，从而提高了电催化活性，其中 NF（镍泡沫）-CoNiS5h 的起始电位和过电位分别为 与不可变形的 NF-CoNiS1h 相比，分别低至 1.53 V 和 304.4 mV。
3.这为基于对多相催化反应的更好理解设计概念验证自推进催化提供了独特的机会。
作者所提出的Highlights
（1）In situ characterization of deformable nanosheets
（2）Non-precious metal-oxygen evolution reaction catalyst comparable to RuO2
（3）New design ideas for electrochemical catalysts for bubble detachment
图文介绍
图1.示意图：（A）静态和（B）摆动电化学反应电极表面的气泡分离和传质示意图。(C) 刚性和 (D) 软电极材料在电场下电化学反应中的形貌。(E) COMSOL 软件对电场力作用下纳米线机械变形的模拟结果。(F) 使用 COMSOL 软件中的非线性模式由 FEM 确定的偏移距离、偏移角和杨氏模量（x 位移）之间的关系。
图 2. MOFs 和钴镍硫化物的表征：(A) CoNiS 纳米片多孔 3D 泡沫镍模板超结构的构造示意图。(B) 和 (C) NF-MOF1h、(D) 和 (E) NF-MOF5h(F) 和 (G) NF-CoNiS1h，以及 (H) 和 (I) NF-CoNiS5h的照片和 SEM 和 TEM 图像。(J) NF-MOF1h、NF-MOF5h、NF-CoNiS1h、NF-CoNiS5h的XRD及其模拟图谱。(K) NF-MOF1h、NF-MOF5h、NF-CoNiS1h 和 NF-CoNiS5h 的 Co2p XPS光谱。(L) NF-CoNiS1h 和 (M) NF-CoNiS5h 的 SEM 图像和相应的 EDS 元素分布图。
图 3. 钴镍硫化物的变形（A 和 B）：(A) NF-CoNiS1h 和 (B) NF-CoNiS5h的AFM 高度通道可视化。插图显示了相应的 DMT 杨氏模量图。(C) 天然材料的杨氏模量，NF-CoNiS1h 和 NF-CoNiS5h。(D) NF-CoNiS1h 和 (E) NF-CoNiS5h 的原位 TEM 图像。(F) COMSOL 软件模拟电场力作用下 NF-CoNiS5h 的机械变形。(G) 在 NF-CoNiS5h 中不同纳米片的偏移角随时间周期性变化。(H) FEM 使用非线性模式确定的偏移距离、偏移角度和纳米片厚度之间的关系。
图 4 气液固三相非均相催化中的气泡分离与强制对流：(A) NF-CoNiS1h 和 (B) NFCoNiS5h 在 10 mA/cm2 电解期间拍摄的数字视频快照。(C) NF-CoNiS5h 和 NFCoNiS1h 具有稳定和直线曲线的 i-t 曲线和锯齿曲线。测量由 (D) NF-CoNiS1h 和 (E) NFCoNiS5h 上的气泡引起的拉伸力。(F 和 G) 不带电和带电 (F) NF-CoNiS1h 和 (G) NF-CoNiS5h 的气泡接触角。(H 和 I) (H) NF-CoNiS1h 和 (I) NF-CoNiS5h 浓度场的数值模拟随时间演变。
图 5. OER 性能：(A) OER 极化曲线，插图显示为过电位。(B) NF、NF-MOF1h、NF-MOF5h、NF-CoNiS1h 和 NF-CoNiS5h 的 Tafel 斜率。(C) 双层电容 (Cdl)。(D) 奈奎斯特图，插图显示等效电路。(E) NF-CoNiS1h 和 NF-CoNiS5h 在恒定电位 1.50 V（vs.RHE）下的计时电流测试。插图：NF-CoNiS5h 电化学反应前后的形貌结构。
结论
总之，通过使用 MOF 片材模板的溶剂热硫化反应，在NF 表面上制备了一种具有可变形堆叠三维纳米片超结构 (NF-CoNiS5h) 的高效OER 催化剂。与改变催化剂的组成和物理结构来设计其电子结构的策略相比，可变形的堆叠三维纳米片超结构用于加速气液固三相多相催化中的气泡分离和强制对流。NF-MOF5h表现出与商业贵金属催化剂相当的电催化活性，其中 NF-MOF5h 的起始电位和过电位分别低至 1.53 V 和 304.4 mV，表明反应动力学更快，电传输性能更好。可变形纳米片可进一步用于设计复杂的实验纳米级系统。这将有助于制造用于商业能源应用的简单催化途径。
论文信息
Xuezhi Qiao, Xiaomeng Yin, Lei Wen, Xiangyu Chen, Jinming Li, Haochen Ye, Xiaobin Huang, Weidong Zhao, and Tie Wang*, Variable nanosheets for highly efficient oxygen evolution reaction. Chem, 2022， 8, 1–11.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.08.007
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