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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)的結合催化析氧反應是最近發(fā)表在《天津大學學報》上的一項研究課題。
將可持續(xù)能源轉化為氫形式的生物化學燃料的最重要的過程之一是電催化析氧反應(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。
電化學水分解反應
世界能源消耗正在迅速增長，化石燃料供應無法滿足預測的未來需求。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。其中最有趣的發(fā)電過程之一是電化學水分解過程，它由兩個半反應組成:陰極上的析氫反應(HER)和陽極上的析氧反應(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(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)生和轉化方法，但它的缺點是OER的反應速度慢，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準。
（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、電學和電荷轉移特性而被廣泛應用。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應用的潛在優(yōu)勢策略。
活性炭納米材料的電導率及其與金屬位點的組合影響被認為是提高氧析出反應緩慢動力學速率的原因。
（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反應位點，其催化性能遠遠優(yōu)于1D CNT表面。當電流密度為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電催化劑提供了有趣的基礎。
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