綜述用于析氧反應(yīng)的D層狀雙氫氧化物：從基礎(chǔ)設(shè)計到應(yīng)用

華中科技大學王春棟與中科大熊宇杰Adv.EnergyMater.綜述用于析氧反響的2D狀雙氫氧化物：從根底設(shè)計到應(yīng)用隨著煤炭、石油、自然氣等不行再生能源的漸漸枯竭，可再生能源的開發(fā)變得緊迫起來，因此急需開發(fā)更加高效的能量存儲和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。電化學水氧化作為水分解過程中的重要局部引起了人們的廣泛關(guān)注，在能量存儲和轉(zhuǎn)換方面有著寬闊的應(yīng)用前景。與參與水分解的陰極局部的析氫反響〔HER〕相比，陽極的析氧反響〔OER〕由于其四電子〔4e〕轉(zhuǎn)移過程中的惰性使其具有遲滯的反響動力學過程，這不僅阻礙了水分解的高效利用，而且也是減少二氧化碳排放，進展燃料電池及可充電金屬空氣電池的主要障礙之一。為提高電解水過程中的OER活性，一些已經(jīng)被商業(yè)化的催化劑如RuO2和IrO2，具有優(yōu)異的催化活性，但這些貴金屬催化劑在高陽極電位下的堿性電解液中可能被氧化成 RuO4和IrO3，使其漸漸溶解在電解液中。此外，這些貴金屬含量稀缺性價格昂貴，限制了它們的大規(guī)模生產(chǎn)使用。因此爭論者們?yōu)殚_發(fā)替代的催化劑做出了很多實質(zhì)性的努力，其中一種策略是利用高效、穩(wěn)定、地表含量豐富和低毒性的非貴金屬電催化劑來提高OER活性。在這些眾多的非貴金屬電催化劑中，二維層狀雙氫氧化物〔LDHs〕作為最先進的OER電催化劑之一，其構(gòu)造和組成靈敏可調(diào)，制備方法簡潔牢靠，有望成為高性能大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的OER電催化劑。最近，Adv.EnergyMater.在線登載了華中科技大學王春棟副教授和中國科技大學熊宇杰教授等人總結(jié)的用于氧氣釋放反響的2D層狀雙氫氧化物的綜述。題目是“2DLayeredDoubleHydroxidesforOxygenEvolutionReaction:FromFundamentalDesigntoApplication ”。在這篇綜述中，作者總結(jié)了基于層狀雙氫氧化物〔LDH〕的OER電催化劑的合理設(shè)計的最進展。進一步總結(jié)了制備方法的各種策略，以及 LDH的構(gòu)造和組成調(diào)控規(guī)律，并爭論了影響OER催化性能的因素。最終，作者指出了提高LDH電催化劑催化活性所面臨的困難和挑戰(zhàn)，并對LDH電催化劑的進展前景進展了展望。文章第一作者為華中科技大學博士爭論生呂琳，通訊作者為王春棟副教授和熊宇杰教授。1、引言表現(xiàn)為金屬氫氧化物八面體沿晶體表現(xiàn)為金屬氫氧化物八面體沿晶體c軸積存，以及水和陰離子在夾層區(qū)域呈現(xiàn)。2、電解OER的根本原理、超電勢、交換電流密度、Tafel斜率、OER機制3、制備方法、溶劑熱法、微波輻射法、電沉積法、腐蝕工程法、溶劑蒸發(fā)法、旋涂法、離子交換法4、LDH納米片的插層構(gòu)造和剝離、插層構(gòu)造、原位插層圖三、HPO32?插層的NiFeLDH〔a〕HPO32 插層的NiFeLDH構(gòu)造模型；NiFeNiFeLDH上的OER過程；Ni和〔d〕Fe位點的結(jié)合能和Bader電荷作為試驗測量的各種所制備的NiFeLDH的起始電位的函數(shù)〔●：結(jié)合Bader電荷〕。、離子交換〔a〕制備的〔藍色〕和在環(huán)境空氣下1.0MKOH水溶液中懸浮后〔紅色〕的，具有不同夾層陰離子的NiFeLDH納米片的基底間距；在幾乎不含碳酸鹽的電解質(zhì)的水溶液〔在幾乎不含碳酸鹽的電解質(zhì)的水溶液〔1.0MKOH〕中具有不同夾層陰離子的NiFeLDH材料的恒電流電解：真空狀態(tài)〔藍色〕和環(huán)境空氣〔紅色〕?；疑@示裸石墨盤的計時電位數(shù)據(jù)。全部數(shù)據(jù)以1mAcm-2的恒定電流密度收集；不同夾層陰離子的NiFeLDH轉(zhuǎn)化為碳酸鹽夾層LDH的制備過程及示意圖；各種NiFeLDH樣品的XRD圖譜；不同NiFeLDH樣品在ECSA歸一化〔虛線〕之前和之后的循環(huán)伏安〔CV〕曲線；通過CV曲線用于雙層電容估量的ECSA分析。、LDH納米片的剝離、液體剝離LDH片狀剝離過程示意圖；NiFeLDH-CO32-的TEM圖〔標尺，1μm〕；〔c~d〕大塊NiFeNiCoCoCoLDH及其片狀剝落物的極化曲線和對應(yīng)過電位；NiFeLDH-NS@DG復(fù)合材料的制備示意圖；塊狀NiFeLDH和剝離的NiFeLDHNS的XRD圖；〔g~h〕剝離的NiFeLDH-NS和DG的AFM圖；〔i~j〕不同放大倍數(shù)的NiFeLDH-NS@DG的TEM圖，以及相應(yīng)的選定區(qū)域電子衍射〔SAED〕圖。、等離子體關(guān)心剝離圖六、等離子體刻蝕CoFeLDHs從從AFM測試中得出的大塊CoFeLDHs和超薄CoFeLDHs-Ar納米片的高度曲線；塊狀CoFeLDH和超薄CoFeLDHs-Ar的XRD圖；〔c~d〕CoFeLDHs和超薄CoFeLDH-Ar中Co和Fe的FT-EXAFS光譜。5、Ni或Co基LDHOER催化劑〔a~b〕α-Ni(OH〔a~b〕α-Ni(OH)2〔Ni2+O2-；粉紅色，H+〕和β-Ni(OH)2〔Ni2+O2H+〕的晶體構(gòu)造圖；〔c〕氫氧化鎳在充/放電過程中的電化學過程。、雙金屬LDH〔a〕NiFeLDHHMS的合成示意圖；〔b~c〕NiFeLDHHMS的SEM和TEM圖；NiFeLDHHMS和NiFeLDHNP的N2吸附等溫線和孔徑分布；NiFeLDHHMS和NiFeLDHNP的接觸角測試；NiFe中空納米棱柱的形成示意圖；〔g~h〕棱柱狀Ni前體的SEM和TEM圖；〔i~l〕不同放大倍數(shù)的NiFe空心納米棱柱的SEM和TEM圖。圖九、CoMnLDH超薄納米片〔a〕CoMnLDH的原子模型；〔b〕CoMnLDH的TEM圖；不同樣品在1MKOH中的極化曲線；過電位和電流密度；炭化電流密度差與掃描速率的關(guān)系；在10mAcm2連續(xù)陽極條件作用下的極化曲線；〔g~h〕TEM圖和SAED圖；納米片的AFM圖像和相應(yīng)的高度剖面；Ni0.75Fe0.25LDH和Ni0.75V0.25LDH的Tafel圖；中間產(chǎn)物吸附的自由能分布圖:H2O，*OH，*O和*OOH圖十、NiFeLDH催化OER過程爭論在NiFeLDH/羥基氧化物不同電位下使用M?ssbauer譜的Operando試驗的CV測試；NiFeLDH和含水Fe氧化物中的電子效應(yīng)圖；不同條件下單層Ni(OH2的AFM圖像和構(gòu)造示意圖；掃描速率為50mVs1的單層Ni(OH)2和在0.1MKOH中不同鐵摻入量的Ni(OH2的CV曲線；在循環(huán)過程中后續(xù)參與不同量鐵的體積變化；在0.1MKOH和不同相對RHE電位的OER過程中NiFeLDH的原位拉曼光譜；NiFeLDH的OER機制。、三金屬LDH圖十一、NiFeVLDH納米片陣列〔a〕NiFeVLDH構(gòu)造示意圖；〔b~c〕NiFeV〔b~c〕NiFeVLDH納米片陣列的SEM和TEM圖；〔d〕NiFeLDHs和NiFeVLDHs的4e OER機制；〔e〕在NiFeLDHs和NiFeVLDHs上OER四個步驟的吉布斯自由能圖；〔f〕NiFeLDHs和NiFeVLDHs的總態(tài)密度〔TDOS〕；〔g〕MoFe:Ni(OH)2/NiOOH納米片在泡沫Ni上的制備示意圖；〔h〕以火山圖的形式呈現(xiàn)NiOOH,Fe:NiOOH和MoFe:NiOOH的OER活性；〔i〕NiOOH,Fe:NiOOH和MoFe:NiOOH的摻雜形成能及其模型構(gòu)造。、LDHs的三維層級復(fù)合納米構(gòu)造、LDH/、LDH/〔a〕@NiFeLDH在泡沫Cu上的制備工藝示意圖；〔b~e〕@NiFeLDH的SEM，TEM圖及其極化曲線；〔f〕復(fù)合外表上不同電位下單原子Au/NiFeLDH的CO32及層間水分子的平板模型、OER路徑和OER自由能圖；TEMTEM圖；HAADF-STEM圖；極化曲線及其相應(yīng)的過電位和Tafel斜率；〔j〕含或不含金原子的NiFeLDH的電荷密度分布圖。、LDH/NiFeLDH@NiFe磷酸鹽雜化物的制備工藝示意圖；雜化物的SEM圖；〔c~d〕NiFeLDH和NiFeLDH@NiFe磷酸鹽雜化物的接觸角測量；〔e~f〕〔e~f〕外加電壓1.9V下，氣泡對NiFeLDH和NiFeLDH@NiFe磷酸鹽雜化物的影響；〔g〕FeNiLDH/Ti3C2–Mxene的形成示意圖；〔h~i〕復(fù)合材料的SEM圖和TEM圖；〔j〕極化曲線及其相應(yīng)的過電位；〔k〕FeNiLDH/Ti3C2–Mxene雜化模型構(gòu)造的俯視圖和側(cè)視圖；〔l〕FeNiLDH和FeNiLDH/Ti3C2–Mxene的Ni和Fe在3d軌道態(tài)密度〔DOS〕和推想DOS〔PDOS〕，虛線表示d能帶中心。6、總結(jié)與展望總的來說，LDH由于其制備工藝簡潔、本錢低、靈敏性好、基體金屬離子可調(diào)、層間陰離子可替代等特點，被認為是目前最受歡迎的高活性電催化OER材料之一。盡管文中總結(jié)的各種技術(shù)極大地提高了LDHs的催化活性，但在強電流電解中對OER的催化性能仍遠未能到達預(yù)期，且不行逆副反響也會導(dǎo)致其耐久性差，這些缺陷使其不能滿足實際應(yīng)用工業(yè)化的要求。因此，作者指出對于LDHs的層壓構(gòu)造，理解其主體層中金屬組分與活性位點之間的關(guān)系，以及層間陰離子對催化活性的影響是至關(guān)重要和極具挑戰(zhàn)性的。盡管通過操縱層壓構(gòu)造調(diào)整