催化学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (9): 2434-2442.DOI: 10.1016/S1872-2067(22)64137-8

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构建氧空位调控的钼酸钴纳米片用于高效催化析氧反应

蒋婷婷a, 谢伟伟a, 耿仕鹏b, 李如春b, 宋树芹b,*(), 王毅a,#()   

  1. a中山大学化学工程与技术学院, 广东省低碳化学与过程节能重点实验室, 聚合物复合材料及功能材料教育部重点实验室, 广东广州510275
    b中山大学材料科学与工程学院, 广东广州510275
  • 收稿日期:2022-05-17 接受日期:2022-05-30 出版日期:2022-09-18 发布日期:2022-07-20
  • 通讯作者: 宋树芹,王毅
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(21975292);国家自然科学基金(21978331);国家自然科学基金(21905311);国家自然科学基金(92061124);广州科技项目(201707010079);广东省基础与应用基础研究基金(2020A1515010343);广东省基础与应用基础研究基金(2021A1515010167)

Constructing oxygen vacancy-regulated cobalt molybdate nanoflakes for efficient oxygen evolution reaction catalysis

Tingting Jianga, Weiwei Xiea, Shipeng Gengb, Ruchun Lib, Shuqin Songb,*(), Yi Wanga,#()   

  1. aThe Key Lab of Low-Carbon Chemistry & Energy Conservation of Guangdong Province, PCFM Lab, School of Chemical Engineering and Technology, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, Guangdong, China
    bSchool of Materials Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, Guangdong, China
  • Received:2022-05-17 Accepted:2022-05-30 Online:2022-09-18 Published:2022-07-20
  • Contact: Shuqin Song, Yi Wang
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(21975292);National Natural Science Foundation of China(21978331);National Natural Science Foundation of China(21905311);National Natural Science Foundation of China(92061124);Guangzhou Science and Technology Project(201707010079);Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2020A1515010343);Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2021A1515010167)

摘要:

析氧反应(OER)是金属-空气电池、电解水等绿色可再生能源转换与储存系统的核心反应, 其复杂的4电子-质子耦合反应导致其动力学过程缓慢从而使得系统过电位较高, 目前主要依赖于RuO2或IrO2贵金属催化剂提升其反应速率, 但贵金属高成本和低稳定性严重限制其大规模应用. 因此, 开发高活性、高稳定性的廉价非贵金属催化剂具有重要的实际意义, 已成为现阶段的研究热点. 钼酸钴(CoMoO4)作为典型的ABO4型催化材料, 不仅价格低廉、储量丰富, 而且其双金属特性可构筑有效的活性位点提升OER反应动力学. 前期研究发现, 通过阴离子掺杂、氧空位工程、电子结构调控、表面修饰等策略可增强ABO4型催化剂的OER催化活性. 特别是氧空位工程可调节过渡金属氧化物的电子结构, 提高其导电性能, 增加催化位点活性, 从而提高过渡金属氧化物的催化性能.

本文在石墨毡(GF)上原位生长CoMoO4纳米片, 并提出一种简单的H2/Ar还原策略精确调控CoMoO4的氧化状态, 制备一系列不同氧空位含量的CoMoO4电催化剂(CoMoO4-Ov-n@GF), 并采用X射线光电子能谱(XPS)、电子自旋共振(EPR)、电化学测试等表征手段及密度泛函理论计算(DFT)研究了氧空位含量对CoMoO4电催化OER性能的影响. 扫描电镜结果表明, 花瓣状CoMoO4纳米薄片整齐地生长在GF上, 经还原热处理后纳米薄片结构未被破坏. 透射电镜结果表明, 经还原后CoMoO4出现了大量缺陷, 且显示出多晶的特性. XPS及EPR测试结果表明, 通过改变热处理时间(0.5‒3 h)可以实现氧空位含量的精准调控, 热处理时间越长, CoMoO4氧空位含量越多. 电化学测试结果表明, 氧空位含量对CoMoO4电催化OER性能起到了重要的调节作用, 其中具有最优氧空位含量的CoMoO4-Ov-2@GF表现出最佳的OER活性, 在10 mA cm‒2下的过电位仅为296 mV, Tafel斜率为62.4 mV dec-1, 其性能接近贵金属催化剂RuO2@GF. DFT理论计算结果表明, 加入氧空位可以将CoMoO4的能隙从1.98 eV缩小至1.14 eV, 从而提升CoMoO4纳米片的电子传导性能; 同时氧空位的增加进一步降低了OER决速步的反应中间体的自由能, 这也加速了OER动力学过程. 实验及理论计算结果都表明构建氧空位可以有效地调节CoMoO4纳米片的催化性能. 综上, 本工作不仅开发了一种高效的氧空位构筑方法, 而且深入研究了氧空位对双金属氧化物电催化OER的影响,对通过构筑氧空位提升OER电催化剂活性相关工作有借鉴意义.

关键词: 析氧反应, 氧空位, 钼酸钴, 纳米片, 密度泛函理论

Abstract:

Oxygen evolution reaction (OER) is the dominant step for plenty of energy conversion and storage technologies. However, the OER suffers from sluggish kinetics and high overpotential due to its complex 4-electron/proton transfer mechanism. Thus, developing efficient electrocatalysts is particularly urgent to accelerate OER catalysis but still remains a great challenge. Herein, we have synthesized the novel cobalt molybdate nanoflakes (CoMoO4-Ov-n@GF) with adjustable oxygen vacancies contents by in situ constructing CoMoO4 nanoflakes on graphite felt (GF) and annealing treatment under the reduction atmosphere. The best-performing CoMoO4-Ov-2@GF with optimal oxygen vacancies content shows splendid electrocatalytic performance with the low overpotential (296 mV at 10 mA cm‒2) and also small Tafel slope (62.4 mV dec‒1) in alkaline solution, which are comparable to those of the RuO2@GF. The experimental and the density functional theory calculations results reveal that the construction of optimal oxygen vacancies in CoMoO4 can expose more active sites, narrow the band-gap to increase the electrical conductivity, and modulate the free energy of the OER-related intermediates to accelerate OER kinetics, thus improving its intrinsic activity.

Key words: Oxygen evolution reaction, Oxygen vacancy, Cobalt molybdate, Nanoflake, Density functional theory