技术装备 > 辐照加工 > 正文

武汉大学肖湘衡研究团队通过离子束辐照调节了Co3O4、Fe3O4等催化剂活性

离子束辐照 辐照方法
发布:2020-10-12 15:19:13     来源:电子束与离子束

近日,武汉大学肖湘衡研究团队通过离子束辐照调节了Co3O4、Fe3O4等催化剂活性,并对该类催化剂的反应机理进行了深入研究,该类工作对精确地调节金属氧化物的催化性能具有重大意义。

Co3O4

Angewandte Chemie International Edition(《德国应用化学》)近日以内封面论文形式在线发表了肖湘衡教授课题组的最新研究成果。该工作展示了使用离子辐照方法调节Co3O4催化剂表面活性电荷密度从而增强其电催析氧性能,为发展使用更高精度制备手段调节材料的电子结构提供了新的解决思路与普适方法。

论文题为“Active Electron Density Modulation of Co3O4-Based Catalysts Enhances their Oxygen Evolution Performance”(调节Co3O4基催化剂活性电荷密度增强其析氧性能)。

近年来,通过缺陷以及界面工程调控材料的电子结构从而增强其催化活性日益受到广大研究者的关注。但当前的制备手段仍有限且不够精确。因此发展可控度高、调节能力强、制备成功率高的研究手段显得尤为重要。离子束方法由于具有可控度高、普适性广、均匀性好等优点,能够在材料中精确构建缺陷和界面从而进一步揭示其构效关系。

研究人员通过Ar离子束对Co3O4进行辐照,在样品中分别产生大量氧空位以及诱导相变产生CoO/Co3O4界面。电化学性能测试结果表明Ar离子辐照可以有效提升Co3O4析氧性能。结合理论计算,研究人员进一步揭示了由于氧空位和CoO/Co3O4界面对于表面活性电荷的梯度调控,增强了Co3O4表面对于反应过程中单氧基团的吸附能力,从而极大降低反应势垒和过电势。该工作在实现Co基电催化剂析氧性能新突破和反应机理更加深入认知的基础上,进一步拓展离子束方法使用范围,展示了将其发展为一种对材料电子结构进行缺陷以及界面调控的普适研究手段的重要价值。

Fe3O4

该研究团队在Energy &Environmental Materials上发表了题为“Oxygen vacancy-induced electron density tuning of Fe3O4 for enhanced oxygen evolution catalysis”的研究论文。该文章通过离子束辐照诱相变方法制备富含氧空位的Fe3O4样品,并且表现出了优于商业RuO2的优异的电催化析氧反应催化活性。

如我们所知,Fe元素被认为是良好的掺杂元素,可有效提升Ni基以及Co基催化剂的OER催化活性,并且部分研究认为在上述体系中Fe元素位点具有高的催化活性。但是目前对Fe基化合物在OER反应中的反应活性仍缺乏系统研究和精确调控。因此系统调控Fe基化合物电子结构探究其OER活性极限以及进一步加深对该类催化剂OER反应机理理解,具有重要的应用价值和科学意义。

在本工作中,研究人员借助离子辐照方法能量剂量可控,精确性高,重复性好等优点,使用Ar离子辐照FeOOH诱导相变制备富含空位的Fe3O4。研究发现,Ar离子辐照使得Fe原子的周围电子密度升高,减弱了OER反应过程中催化剂表面对HOO*反应中间体的吸附能力,使HOO*基团更容易从催化剂表面脱附,进而降低OER反应势垒。这种富含空位的Fe3O4催化剂在1M KOH电解液中达到10 mA/cm2反应电流所需过电势仅为 353mV,同时塔菲尔斜率为50 mV/dec。其催化活性远优于FeOOH、Fe3O4以及其他文献报道的Fe基氧化物,甚至优于商业RuO2以及其他双元金属氧化物。

该工作系统研究了铁基氧化物OER活性与氧空位之间相关关系,进一步指导设计更加合成高效的单元以及多元过渡金属电催化剂;同时加深对Fe基化合物及其他含Fe多元过渡金属化合物的实际活性位点的认识。

推荐阅读

暂无相关信息
阅读排行榜