LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂用于工业条件下长时间高效水氧化学术资讯

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导语

电催化分解水制氢是实现大规模生产高纯度氢气的有效方法。目前NiFe层状双羟基化合物（LDH）是用于氧析出反应（OER）的有效非贵金属催化剂，但其在严苛工业制氢条件下的耐久性仍有待进一步提高。而局部结构类似于光合作用系统II（PS II）中产氧团簇（OEC）原子结构的水钠锰矿（birnessite）具有稳定的MnO2基质，但OER活性较低。如何同时实现高活性和高稳定性催化剂的构筑，是一个具有挑战性的难题。近日，北京大学深圳研究生院的杨世和教授、龙霞副教授，与香港理工大学的黄勃龙教授合作，在这一领域取得了新突破（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202016064)。

前沿科研成果

LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂用于工业条件下长时间高效水氧化

NiFe层状双羟基化合物（LDH）是用于氧析出反应（OER）的有效非贵金属催化剂，但由于氢氧化物固有的绝缘体性质，LDH的导电性限制了其OER催化性能。北京大学深圳研究生院杨世和教授课题组创造性的用离子交换的方式将导电石墨烯插入NiFe LDH层间（Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 126, 7714），实现了催化活性位点与高导电性纳米材料在原子尺寸上的直接接触。同时，课题组研究发现，在NiFe LDH中引入第三种过渡金属Co元素，得到的NiCoFe LDH的OER催化性能得到进一步提高（Chem. Commun., 2015, 51, 1120）。但实现高催化活性的同时，NiFe LDH的长期稳定性，尤其是在严苛工业制氢条件下的耐久性仍有待进一步提高。基于此，课题组选择将高催化活性的NiFe LDH与具有稳定MnO2基质的Birnessite结合，利用剥离后的单层LDH和birnessite具有相反电荷的特点，通过二维静电自组装策略，将带正电的单层NiFe LDH作为电荷补偿阳离子插入Birnessite中带负电的八面体MnO2层间，有效构筑了LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂（图1），实现了工业碱性电解水条件下的长时间高效稳定的水氧化催化。

图3. 制备的LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂的电化学性能表征。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.)

DFT计算表明，对于LDH-Bir，中间层的NiFe LDH能够调节电子分布，增强局部电子活性，进一步验证了LDH-Bir中Ni、Mn和Fe离子之间的电子转移。同时，通过优化该催化剂的吸附-脱附性能，实现了高效和稳定的OER催化性能。

图4. DFT计算结果。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.)

综上，本文设计合成的LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂在碱性电解液中表现出优异的OER催化活性和长期稳定性。甚至在85 ℃和6 M KOH的工业碱性电解水制氢条件下，以及在高达100 mA/cm2和500 mA/cm2的电流密度下，该催化剂仍然具有出色的稳定性，进而同时解决了LDH低稳定性和birnessite低活性的问题。该文通过这种新颖的2D-2D静电自组装策略，实现了电催化剂结构功能的灵活调节和协同增效，这为设计用于工业水氧化的高效OER催化剂开辟了独特的途径。

本文的第一作者为北京大学深圳研究生院博士后陈柱文和博士研究生鞠敏，通讯作者为北大深研院龙霞副教授，杨世和教授及香港理工大学黄勃龙教授。

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