关于界面自组装策略促进高效电解水的研究学术资讯

来源：RSC英国皇家化学会

近日，山东大学张进涛教授课题组在英国皇家化学会著名期刊 Journal of Materials Chemistry A 上发表论文，报道了用于双功能催化剂设计的一种简单、有效的表面功能化修饰新策略，可以显著增强金属氢氧化物电催化水分解性能。本篇论文入选 2020 Journal of Materials Chemistry A Emerging Investigators 特邀专刊，在此我们特别祝贺张进涛教授！

引言

能源短缺和环境污染问题是影响世界可持续发展的两大重要问题。利用太阳能、风能等可再生能源产生的电能，通过电解水过程转化为可存储的氢能，对于推动社会的可持续发展具有重要的意义。电解水过程受限于缓慢的阳极氧析出和阴极氢析出过程，能源利用率和转化效率较低。因此，开发高效、高稳定性和价格低廉的催化剂，降低反应能垒从而提高电解水的效率和稳定性至关重要。

得益于比表面积大，组成和结构有序可控等优点，过渡金属氢氧化物纳米结构表现出优异的氧析出和氢析出的双功能催化活性。通过表面工程调控策略，如结构、组成及其表面的调变能够显著改善催化剂的表界面化学结构与性质，实现对催化性能的调控。鉴于多样性的有机配体和金属离子，通过金属离子与酚类物质的配位作用能够形成结构、组成高度可调的金属有机配位材料。但是，构筑具有丰富活性位点的金属有机配位材料作为高效的电催化剂仍然面临诸多挑战。

基于上述考虑，山东大学张进涛教授课题组提出了一种多功能、普适性的表面工程修饰策略，以有机-无机界面配位组装过程在多种金属氢氧化物纳米结构的表面均匀沉积有机-无机复合修饰层。研究发现，单宁酸的邻苯二酚基团可以与不同的金属离子（如Fe3+、Co2+、Ni2+）进行络合配位，在不同基底表面形成金属-单宁酸网络结构的薄层。得益于金属氢氧化物纳米结构的多级结构，可以充分暴露金属-单宁酸络合物的活性位点，可以显著增强金属氢氧化物电催化水分解性能，从而为双功能催化剂设计提出了一种简单有效的表面功能化修饰新策略。

▲	图 1. 基于界面配位自组装策略构筑 TA-Fe@Ni(OH)2 纳米阵列示意图。

文章解读

1．多级结构表征

通过 SEM、TEM、FTIR 和 Raman 光谱等基本测试技术对 TA-Fe@Ni(OH)2 的形貌和结构进行表征，证明成功地制备多级纳米网络结构。同时，单宁酸酚羟基强的黏附作用及其金属络合能力能够有效促进有机-无机复合层的表面均匀沉积。

▲	图 2.（a）Ni(OH)2/NF 和（b）TA-Fe@Ni(OH)2/NF 的 SEM 图，（c）多级结构的 TEM 图，（d）线性扫描图和（e）面扫描元素分布图。

▲	图 3.（a）Raman 光谱，（b）FTIR 光谱。

2. 界面配位自组装策略的普适性

单宁酸作为多酚类材料，能和多种金属离子螯合，保证了金属配位化合物的多样性和界面配位自组装策略的广泛性、通用性。所提出的界面配位自组装策略可以实现在不同组成、形貌的纳米结构表面均匀沉积，如 Ni(OH)2 纳米阵列沉积 TA-Fe，TA-Co；Co(OH)F 纳米线表面沉积 TA-Co 和 TA-Fe；在泡沫镍表面沉积 TA-Fe 等。所提出的配位自组装策略为设计和调控纳米结构材料的表面化学性质提供了新思路。

▲	图 4. TA-Fe@Co(OH)F/NF 的（a）SEM 图和（b）元素分布图，TA-Co@Co(OH)F 的（c）SEM 图和（d）元素分布图。

3．电催化性能研究

Ni(OH)2 纳米阵列具有大的比表面积，可促进 TA-Fe 的均匀沉积有利于暴露丰富的活性位点。TA-Fe 和 Ni(OH)2 的协同效应进一步促进了 TA-Fe@Ni(OH)2 电极的优异氧析出和氢析出双功能催化活性和长期稳定性。采用旋转环盘电极进一步确定反应机理，TA-Fe@Ni(OH) 2 电极主要以四电子过程产生 O2, 催化氧析出反应过程的高效选择性。当用于两电极电解水时，TA-Fe@Ni(OH) 2 电极表现出优异的电解水催化性能和长期稳定性。

▲	图 5. 氧析出性能评估：（a）线性扫描伏安曲线，（b）100 mA cm-2 和 350 mA cm-2 电流密度对应的外加电压，（c）Tafel 曲线图，（d）电化学阻抗谱，（e）长期稳定性测试。

▲	图 6. 在 O2 饱和的 KOH 溶液中，1.5 V 环电压下的旋转环盘电极测试，（b）N2 饱和的 KOH 溶液中，0.2 V 环电压下的旋转环盘电极测试。

▲	图 7. 氢析出性能评估：（a）氢析出极化曲线，（b）电化学阻抗谱，（c）长期稳定性测试。两电极全解水性能：（d）以双功能电极用于两电极电解水的示意图，（e）两电极电解水极化曲线，（f）稳定性测试。

文章总结

通过界面配位自组装过程，实现了在多种纳米结构材料表面包括 Ni(OH)2 纳米片、Co(OH)F 纳米阵列以及泡沫镍等均匀沉积单宁酸-金属配位网络结构（如 TA-Fe、TA-Co 和 TA-Ni），从而获得了普适性的表面工程修饰策略。单宁酸与各种金属离子的界面配位自组装过程，实现了金属-有机配体的均匀沉积，所构筑的多级结构复合材料表现出优异的 OER 和 HER 的双功能催化活性和全水分解性能。结合多级结构的纳米材料，有机-无机络合物复合层对电极表面化学性质的有效调控及其协同效应，有效促进电催化剂的催化性能和稳定性，所提出的界面配位自组装策略为电极材料的表面改性和功能化提供新思路和新方法。

论文信息

Interfacial coordination assembly of tannic acid with metal ions on three-dimensional nickel hydroxide nanowalls for efficient water splitting
Yueqing Wang, Si Chen, Shuya Zhao, Qianwu Chen and Jintao Zhang*(张进涛,山东大学)
J. Mater. Chem. A, 2020,