楼雄文&谷晓俊Angew.: 单原子Ni用于高效电催化析氧最新进展!

研究内容

用于水制氧反应(OER)的电催化剂的设计和合成对于开发用于能量存储和转换的先进电化学装置具有重要意义。具有最大原子利用效率的单原子催化剂（SAC）已成为OER的有希望的候选者。此外，将活性位点捕获在中空载体的外表面上可以降低传质阻力并提高原子利用率。

内蒙古大学谷晓俊教授和新加坡南洋理工大学楼雄文教授报告了一种简便的化学气相沉积(CVD)策略来合成单镍(Ni)原子修饰的空心S/N掺杂足球状碳球(Ni SAs@S/NFCS)。Ni SAs@S/NFCS在碱性析氧反应（OER）中表现出优异的性能，在10 mA cm-2时过电位为249 mV，Tafel斜率为56.5 mV dec-1，超长稳定性。相关工作以“Surface-Exposed Single-Ni Atoms with Potential-Driven Dynamic Behaviors for Highly Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1. 作者首先将3-氨基苯酚/甲醛树脂(3-AF)包覆在制备好的足球状CdS纳米球(CdS-FCS)得到核壳CdS@3-AF NSs，进一步碳化成S/N-FCS。NiCl2的气体迁移使Ni被分离并同时捕获在S/N-FCS基质的外表面，产生最终的Ni SAs@S/N-FCS。

要点2. 受益于大量表面暴露的单Ni位点和空心S/N掺杂碳结构，Ni SAs@S/N-FCS催化剂表现出优异的OER性能，在10 mA cm-2下过电位为249 mV，Tafel 斜率为56.5 mV dec-1以及长达166小时的超长稳定性。

要点3. 原位X射线吸收光谱和理论计算表明，Ni-N4基序的电位驱动动态行为和基质中不同位置的S掺杂剂对OER活性的贡献。

这项工作可能为设计和构建表面暴露的SAC并揭示其潜在驱动的动态行为提供一些启发，从而促进其在可持续能源存储和转换技术中的广泛应用。

研究图文

图1. (a) Ni SAs@S/N-FCS的合成过程示意图。CdS@3-AF的(b) FESEM、(c) HAADFSTEM和(d) TEM图像。(e) 单个CdS@3-AF的HAADF-STEM和相应元素映射图像。

图2. S/N-FCS和Ni SAs@S/N-FCS的(a) 高分辨率Ni 2p3/2 XPS光谱和(b) XRD图。NiO、Ni箔和Ni SAs@S/N-FCS的Ni K-edge EXAFS光谱的(c) k2χ(k)振荡曲线、(d) FT曲线和(e) WT等值线图。。

图3. RuO2、S/N-FCS、Ni NPs@S/N-FCS和Ni SAs@S/N-FCS的(a) LSV图，(b) 10 mA cm-2时的过电位和(c)相应Tafel斜率。Ni NPs@S/N-FCS和Ni SAs@S/N-FCS的(d) TOF值和(e) 在0.95 V vs RHE时的电容电流密度(1/2ΔJ)。(f) RuO2、S/N-FCS、Ni NPs@S/N-FCS和Ni SAs@S/N-FCS在10 mA cm-2下的电位-时间曲线。

图4. (a) 用于识别Ni SAs@S/N-FCS电催化剂活性位点的操作电化学电池装置示意图。CE，对电极；RE，参比电极；WE，工作电极。Ni SAs@S/N-FCS在OER期间在不同电位下在Ni K-edge的(b) Operando XANES光谱和(c)相应FT曲线。不同模型的（d）OER的自由能图和（e）RDS对应的能垒。(f) ACG-NiN4-SC表面*O中间体的电荷密度差异。黄色和青色轮廓表示真实空间中的电荷积累和耗尽，等值面水平为±0.002 |e| Bohr-3。

文献详情

Surface-Exposed Single-Ni Atoms with Potential-Driven Dynamic Behaviors for Highly Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution

Yafei Zhao, Xue Feng Lu, Guilan Fan, Deyan Luan, Xiaojun Gu,* Xiong Wen (David) Lou*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.202212542

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