硫掺杂镍铁层状双氢氧化物的氧析出电催化性能

doi:10.1016/S1872-2067(19)63356-5

催化学报 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (5): 847-852.DOI: 10.1016/S1872-2067(19)63356-5

硫掺杂镍铁层状双氢氧化物的氧析出电催化性能

李申宙, 刘健云, 段烁, 王谭源, 李箐

华中科技大学材料科学与工程学院, 湖北武汉 430074

收稿日期:2019-10-14 修回日期:2019-11-18 出版日期:2020-05-18 发布日期:2019-12-31
通讯作者: 王谭源, 李箐
基金资助:
国家自然科学基金（21603078，21705052，51602223）.

Tuning the oxygen evolution electrocatalysis on NiFe-layered double hydroxides via sulfur doping

Shenzhou Li, Jianyun Liu, Shuo Duan, Tanyuan Wang, Qing Li

State Key Laboratory of Material Processing and Die & Mould Technology, School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China

Received:2019-10-14 Revised:2019-11-18 Online:2020-05-18 Published:2019-12-31
Contact: S1872-2067(19)63356-5
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21603078, 21705052, 51602223).

摘要/Abstract

摘要： 氧析出反应（OER）是裂解水、二氧化碳还原、以及可充电的锌空电池等许多技术中重要的半反应，但受限于其迟缓的反应动力学，开发高效的氧析出催化剂迫在眉睫.在OER出反应中，性能较好的非贵金属催化剂主要是第四周期过渡金属的一些化合物，如氧化物、氢氧化物、硫化物、硒化物、磷化物等等.在这些材料中，镍铁双金属化合物被认为是最优的氧析出材料，尤其是镍铁层状双氢氧化物（NiFe-LDHs）它拥有较大的电化学活性面积以暴露较多活性位点，同时镍铁两种过渡金属元素存在协同效应，使得其具有良好的催化性能.然而，这一类材料的OER性能仍然有优化的空间.研究表明，将硫化物氧化得到的氢氧化物会有少量的硫元素残留，这种硫残留的氢氧化物拥有十分优异的OER性能.为了进一步认识硫的引入对NiFe-LDHs的OER行为的影响，本文通过水热法合成了硫掺杂的NiFe-LDHs，考察了硫的掺杂量对催化剂性能的影响，验证了微量硫的存在对NiFe-LDHs的OER性能的贡献.
扫描电镜图片显示，水热合成的催化剂是厚度为几十纳米的薄片，拥有较高的比表面积，X射线荧光光谱分析证明合成的硫掺杂NiFe-LDHs中镍铁的元素比例为4：1，而且硫的掺杂量并不影响催化剂的形貌和其中镍铁元素比.X射线光电子能谱分析表明，硫原子的引入使得铁原子结合能降低，即硫与铁的相互作用部分降低了铁的价态，这种硫和铁的相互作用能够优化OER反应中间体OH^*与O^*在铁活性位点上的吸附自由能，降低氧析出反应的过电势.电化学测试表明，拥有0.43%的硫掺杂NiFe-LDHs拥有最好的氧析出性能，10mA cm^-1下超电势仅有257mV，Tafel斜率61.5mV dec^-1.此后，随着硫掺杂量的提升，其性能先保持稳定，随后有所下降.在稳定测试中，硫掺杂的镍铁层状双氢氧化物在10mA cm^-1电流密度下循环30h后过电位仅衰减14mV.在对稳定性测试后的催化剂进行表征表明，催化剂发生了轻微了变形，但这对性能的影响不大.综上，本文提供了一种简便的通过非金属元素掺杂调控过渡金属氧化物的结构和电子态的方法，有望为设计高活性OER电催化剂提供新思路.

关键词: 氧析出, 电催化, 层状双氢氧化物, 硫掺杂, 水裂解

Abstract: We report a facile way to prepare sulfur (S) doped Ni_4/5Fe_1/5-layered double hydroxide (LDH) electrocatalysts for oxygen evolution reaction (OER). The influence of S doping amount on the OER activity of the resulted NiFe-LDHs was studied and the optimal surface S content was ca. 0.43 at%. The developed S-doped NiFe-LDH exhibits excellent OER catalyst activity in 1.0 M KOH with overpotential of only 257 mV at the current density of 10 mA cm^-2. Moreover, the catalyst could maintain high activity after 30 h stability test. The high activity of the S-doped NiFe-LDH catalysts may originate from the synergistic effect between S and the Fe sites. This work provides a simple but efficient way to improve the OER performance of transition metal oxides/(oxy)hydroxides.

Key words: Oxygen evolution, Electrocatalysis, Layered double hydroxides, Sulfur doping, Water splitting

李申宙, 刘健云, 段烁, 王谭源, 李箐. 硫掺杂镍铁层状双氢氧化物的氧析出电催化性能[J]. 催化学报, 2020, 41(5): 847-852.

Shenzhou Li, Jianyun Liu, Shuo Duan, Tanyuan Wang, Qing Li. Tuning the oxygen evolution electrocatalysis on NiFe-layered double hydroxides via sulfur doping[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(5): 847-852.

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参考文献

[1] M. G. Walter, E. L. Warren, J. R. McKone, S. W. Boettcher, Q. X. Mi, E. A. Santori, N. S. Lewis, Chem. Rev., 2010, 110, 6446-6473.
[2] S. J. A. Moniz, S. A. Shevlin, D. J. Martin, Z. X. Guo, J. W. Tang, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 731-759.
[3] T. Wang, H. Xie, M. Chen, A. D'Aloia, J. Cho, G. Wu, Q. Li, Nano Energy, 2017, 42, 69-89.
[4] Z. Miao, X. Wang, M.-C. Tsai, Q. Jin, J. Liang, F. Ma, T. Wang, S. Zheng, B.-J. Hwang, Y. Huang, S. Guo, Q. Li, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801226.
[5] Y. Ji, L. Yang, X. Ren, G. Cui, X. Xiong, X. Sun, ACS Sustain. Chem. Eng., 2018, 6, 9555-9559.
[6] J. B. Goodenough, Y. Kim, Chem. Mater., 2010, 22, 587-603.
[7] Q. Li, P. Xu, W. Gao, S. Ma, G. Zhang, R. Cao, J. Cho, H.-L. Wang, G. Wu, Adv. Mater., 2014, 26, 1378-1386.
[8] F. Cheng, J. Chen, Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2172-2192.
[9] Z. L. Wang, D. Xu, J. Xu, X. B. Zhang, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 7746-7786.
[10] Y. Li, M. Gong, Y. Liang, J. Feng, J. Kim, H. Wang, G. Hong, B. Zhang, H. Dai, Nat. Commun., 2013, 4, 1805.
[11] H. Xie, T. Wang, J. Liang, Q. Li, S. Sun, Nano Today, 2018, 21, 41-54.
[12] H. Xie, S. Chen, F. Ma, J. Liang, Z. Miao, T. Wang, H.-L. Wang, Y. Huang, Q. Li, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 36996-37004.
[13] Y. Surendranath, M. W. Kanan, D. G. Nocera, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 16501-16509.
[14] N.-T. Suen, S.-F. Hung, Q. Quan, N. Zhang, Y.-J. Xu, H. M. Chen, Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 337-365.
[15] L. Trotochaud, S. L. Young, J. K. Ranney, S. W. Boettcher, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 6744-6753.
[16] W. Chen, H. Wang, Y. Li, Y. Liu, J. Sun, S. Lee, J. Lee, Y. Cui, ACS Central Sci., 2015, 1, 244-251.
[17] P. Chen, K. Xu, Z. Fang, Y. Tong, J. Wu, X. Lu, X. Peng, H. Ding, C. Wu, Y. Xie, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 14710-14714.
[18] M. Gong, Y. Li, H. Wang, Y. Liang, J. Wu, J. Zhou, J. Wang, T. Regier, F. Wei, H. Dai, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 8452-8455.
[19] L. Xu, Q. Jiang, Z. Xiao, X. Li, J. Huo, S. Wang, L. Dai, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 5277-5281.
[20] T. Wang, G. Nam, Y. Jin, X. Wang, P. Ren, M. Kim, J. Liang, X. Wen, H. Jang, J. Han, Y. Huang, Q. Li, J. Cho, Adv. Mater., 2018, 30, 1800757.
[21] X. Xu, F. Song, X. L. Hu, Nat. Commun., 2016, 7, 12324.
[22] C. Tang, N. Cheng, Z. Pu, W. Xing, X. Sun, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 9351-9355.
[23] Y. Liu, H. Cheng, M. J. Lyu, S. Fan, Q. Liu, W. Zhang, Y. Zhi, C. Wang, C. Xiao, S. Wei, B. Ye, Y. Xie, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 15670-15675.
[24] T. Wang, C. Wang, Y. Jin, A. Sviripa, J. Liang, J. Han, Y. Huang, Q. Li, G. Wu, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 25378-25384.
[25] L. A. Stern, L. G. Feng, F. Song, X. Hu, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2347-2351.
[26] X. Ji, R. Zhang, X. Shi, A. M. Asiri, B. Zheng, X. Sun, Nanoscale, 2018, 10, 7941-7945.
[27] M. Zhou, Q. Weng, X. Zhang, X. Wang, Y. Xue, X. Zeng, Y. Bando, D. Golberg, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 4335-4342.
[28] W. Zhou, X. J. Wu, X. Cao, X. Huang, C. Tan, J. Tian, H. Liu, J. Wang, H. Zhang, Energy Environ. Sci., 2013, 6, 2921-2924.
[29] K. Fominykh, J. M. Feckl, J. Sicklinger, M. Doblinger, S. Bocklein, J. Ziegler, L. Peter, J. Rathousky, E. W. Scheidt, T. Bein, D. Fattakhova-Rohlfing, Adv. Funct. Mater., 2014, 24, 3123-3129.
[30] S. Chen, J. J. Duan, P. J. Bian, Y. H. Tang, R. K. Zheng, S. Z. Qiao, Adv. Energy Mater., 2015, 5, 1500936.
[31] J. Zhang, D. Zhang, R. Zhang, N. Zhang, C. Cui, J. Zhang, B. Jiang, B, Yuan, T. Wang, H. Xie, Q. Li, ACS Appl. Energy Mater., 2018, 1, 495-502.
[32] M. Gong, Y. Li, H. Wang, Y. Liang, J. Z. Wu, J. Zhou, J. Wang, T. Regier, F. Wei, H. Dai, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 8452-8455.
[33] Q. Wang, D. O'Hare, Chem. Rev., 2012, 112, 4124-4155.
[34] D. Friebel, M. W. Louie, M. Bajdich, K. E. Sanwald, Y. Cai, A. M. Wise, M. J. Cheng, D. Sokaras, T. C. Weng, R. Alonso-Mori, R. C. Davis, J. R. Bargar, J. K. Norskov, A. Nilsson, A. T. Bell, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 1305-1313.
[35] J. Zhao, X. Li, G. Cui, X. Sun, Chem. Commun., 2018, 54, 5462-5465.
[36] M. W. Louie, A. T. Bell, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 12329-12337.
[37] S. Chen, J. Duan, M. Jaroniec, S. Z. Qiao, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 13567-13570.
[38] C. G. Morales-Guio, L. Liardet, X. Hu, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 8946-8957.
[39] H. Shi, H. Liang, F. Ming, Z. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 573-577.
[40] C. Xiao, X. Lu, C. Zhao, Chem. Commun., 2014, 50, 10122-10125.
[41] C. Z. Zhu, D. Wen, S. Leubner, M. Oschatz, W. Liu, M. Holzschuh, F. Simon, S. Kaskel, A. Eychmuller, Chem. Commun., 2015, 51, 7851-7854.
[42] Z. Lu, W. Xu, W. Zhu, Q. Yang, X. Lei, J. Liu, Y. Li, X. Sun, X. Duan, Chem. Commun., 2014, 50, 6479-6482.

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[1]	唐小龙, 李锋, 李方, 江燕斌, 余长林. 单原子催化剂在光催化和电催化合成过氧化氢中的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 79-98.
[2]	张季, 俞爱民, 孙成华. 非金属掺杂石墨烯异核双原子催化剂氮还原特性研究[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 263-270.
[3]	胡金念, 田玲婵, 王海燕, 孟洋, 梁锦霞, 朱纯, 李隽. MXene负载3d金属单原子高效氮还原电催化剂的理论筛选[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 252-262.
[4]	洪岩, 王琦, 阚子旺, 张禹烁, 郭晶, 李思琦, 刘松, 李斌. 电化学氮还原氨反应催化剂的最新研究进展[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 50-78.
[5]	刘勇, 赵晓丽, 隆昶, 王晓艳, 邓邦为, 李康璐, 孙艳娟, 董帆. 原位构筑动态Cu/Ce(OH)_x界面用于高活性、高选择性和高稳定性硝酸盐还原合成氨[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 196-206.
[6]	高晖, 张恭, 程东方, 王永涛, 赵静, 李晓芝, 杜晓伟, 赵志坚, 王拓, 张鹏, 巩金龙. 构建Cu台阶位促进电催化CO₂还原制醇类化学品的研究[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 187-195.
[7]	邹心仪, 顾均. 酸性条件下二氧化碳高效电还原策略[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 14-31.
[8]	周波, 石建巧, 姜一民, 肖磊, 逯宇轩, 董帆, 陈晨, 王特华, 王双印, 邹雨芹. 强化脱氢动力学实现超低电池电压和大电流密度下抗坏血酸电氧化[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 372-380.
[9]	耿仕鹏, 陈利明, 陈海鑫, 王毅, 丁朝斌, 蔡丹丹, 宋树芹. 揭示层状晶态CoMoO₄的水裂解电催化机制: 从晶面选择到活性位点设计的理论研究[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 334-342.
[10]	王元男, 王立娜, 张可新, 徐靖尧, 武倩楠, 谢周兵, 安伟, 梁宵, 邹晓新. 钙钛矿氧化物在水裂解反应中的电催化研究[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 109-125.
[11]	周纳, 王家志, 张宁, 王志, 王恒国, 黄岗, 鲍迪, 钟海霞, 张新波. 富含缺陷的Cu@CuTCNQ复合材料增强电催化硝酸盐还原成氨[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 324-333.
[12]	李轩, 蒋兴星, 孔艳, 孙建桔, 胡琪, 柴晓燕, 杨恒攀, 何传新. GaN/In₂O₃的界面工程用于高效电催化CO₂还原制备甲酸[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 314-323.
[13]	Sang Eon Jun, Sungkyun Choi, Jaehyun Kim, Ki Chang Kwon, Sun Hwa Park, Ho Won Jang. 用于电化学能量转换反应的非贵金属单原子催化剂[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 195-214.
[14]	牛青, 米林华, 陈玮, 李秋军, 钟升红, 于岩, 李留义. 基于共价有机框架的单位点光(电)催化材料的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 45-82.
[15]	欧阳玲, 梁杰, 罗永嵩, 郑冬冬, 孙圣钧, 刘倩, Mohamed S. Hamdy, 孙旭平, 应斌武. 电催化合成氨的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 6-44.