1307-96-6 / 鋅摻雜氧化鈷多級納米花催化劑高效催化析氧反應

納米管、納米線、納米片等低維材料越來越受到人們的關注。在過去的十年中，利用低維片段組裝而成的三維多層次化材料引起了科學家們的極大興趣。這些材料是各種電化學應用的理想材料，如電催化和儲能。層次化多孔結(jié)構(gòu)有利于催化過程中的傳質(zhì)和電解質(zhì)的傳輸，進而提高催化效率。由低維結(jié)構(gòu)組裝而成的三維層次化多孔結(jié)構(gòu)既保留了低維結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，也從其多級結(jié)構(gòu)中衍生出了優(yōu)勢。然而，具有可控形態(tài)的層次化結(jié)構(gòu)材料的合成仍然是一個挑戰(zhàn)。

近日，陜西師范大學化學化工學院鄭浩銓副教授與曹睿教授及其團隊制備了一維納米顆粒組成二維納米片，進一步組裝成三維納米花的多級結(jié)構(gòu)材料。同時研究表明鋅元素與鈷氧化物具有良好的摻雜性，所以在這種結(jié)構(gòu)中引入了第二種過渡金屬元素，形成鋅摻雜的氧化鈷納米花，應用于高效催化析氧反應。研究團隊用水熱法合成的氫氧化物作為前驅(qū)體，制備了一種多層次結(jié)構(gòu)的鋅摻雜氧化鈷納米花。納米花是由二維納米片組裝成，而在單個納米片中，有大量尺寸約十納米的鋅摻雜氧化鈷納米顆粒。將層次化多孔鋅摻雜氧化鈷納米花作為堿性介質(zhì)中析氧反應的電催化劑，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和催化活性（在10 mA cm-2時，過電勢293 mV），堪比于商業(yè)RuO2催化劑在堿性介質(zhì)中的電催化性能。研究結(jié)果表明，在三維層次化結(jié)構(gòu)的電催化劑有利于提高催化過程有效的傳質(zhì)過程；而且DFT理論計算表明在氧化鈷納米顆粒中均勻摻入非活性第二金屬鋅降低Band gap，從而增強電催化析氧反應活性。該工作進行了對析氧反應活性與鈷基電催化劑中第二金屬摻入之間關系的研究。