近日，景德镇陶瓷大学曾小军教授在Energy & Environmental Materials上发表题为：“Fe-induced electronic transfer and structural evolution of lotus pod-like CoNiFePx@P,N-C heterostructure for sustainable oxygen evolution”的研究型论文。

亮点

1. 报道了一种简单的离子交换和磷化过程将大肠状CoNiP_x@P，N-C变成莲蓬状的CoNiFeP_x@P，N-C异质结构，其中大量P，N共掺杂碳层的CoNiFeP_x纳米颗粒紧密地锚定在2D碳基体上。

2. oNiFeP_x@P，N-C实现了核壳结构、高比表面积和分级孔结构，其具有丰富的异质界面和完全暴露的活性位点。

3. Fe的掺入可以诱导CoNiFeP_x@P，N-C中的电子转移，从而促进OER反应。

研究背景

受全球“碳中和”战略的启发，氢能作为一种高效、清洁和可持续的能源蓬勃发展。令人鼓舞的是，电化学水分解是生产零碳排放氢气的一种重要的绿色方式。然而，阳极析氧反应（OER）涉及一个动力学缓慢的四电子过程，需要高电势来克服能垒。采用高效的电催化剂来降低电势并加速OER反应。目前，贵金属基材料由于它们的稀缺性和珍贵性限制了这些贵金属电催化剂的广泛应用。为此，一些具有低成本、高活性和良好稳定性的非贵金属基催化剂已被研究作为OER电催化剂。

过渡金属磷化物（TMPs）具有三角棱镜的特殊晶体结构和表面大量的不配位原子，具有很强的金属性和导电性，是很有前途的OER电催化剂。然而，TMPs催化剂存在稳定性差和严重聚集的问题，导致电催化性能差。在这方面，活性TMPs颗粒通常被支撑在具有高比表面积的导电基底上，以避免聚集并提高稳定性。同时，构建核壳结构是防止TMPs颗粒在电催化反应过程中腐蚀、剥落和团聚的可靠方法。近年来，金属有机骨架（MOF）衍生的多金属磷化物因其独特的电子结构和丰富的活性位点而备受关注。有趣的是，由MOF衍生的功能性纳米材料具有独特的结构、分散的金属离子和高比表面积，可以很好地满足上述需求。特别是，由于电催化反应通常发生在电极、电解质和目标产物的界面上，因此具有许多异质界面的多二甲基磷化物被认为是调节本征活性的最有效策略之一。此外，异质界面处的强相互作用可以建立电子通道并重新分布电子密度，从而提高电子储存能力。

文章简读

针对上述问题，景德镇陶瓷大学曾小军教授团队与上海大学高彦峰教授团队和新加坡制造技术研究院黄晖研究员团队设计了一种可行的离子交换和磷化工艺来将大肠样CoNiP_x@P，N-C转化为莲蓬状CoNiFeP_x@P，N-C异质结构。在工程化的CoNiFeP_x@P，N-C异质结构中，大量的P，N共掺杂碳包覆的CoNiFeP_x纳米颗粒紧密地锚定在2D碳基体上，从而呈现出丰富的异质界面和完全暴露的活性位点。此外，碳氮中的分级孔结构和大的比表面积CoNiFeP_x@P，N-C异质结构进一步增加了暴露的活性位点。重要的是，Fe在CoNi-MOF中的结合也调节了CoNiP_x@P，N-C的电子结构，从而促进OER反应。因此，CoNiFeP_x@P，N-C在10 mA cm^-1的电流密度下提供278 mV（vs. RHE）的低过电势，并且在计时电流法测试30小时后没有观察到的电流密度衰减的情况下具有优异的长期稳定性。相关成果发表在Energy Environ. Mater上。曾小军教授为第一作者和通讯作者，硕士生张青青为共同一作。

图文赏析

图1.  （a）CoNi-MOF原位转化为莲蓬状CoNiFeP_x@P，N-C异质结构的示意图，（b）CoNi-MOF，（c）CoNi-MOF-Fe,(d)CoNiFeP_x@P,N-C.的SEM图像

图2.  a）CoNiP_x@P,N-C和CoNiFeP_x@P,N-C的XRD图谱。CoNiP_x@P,N-C和CoNiFeP_x@P,N-C的(b)Fe 2p,(c)Co 2p,(d)Ni 2p,(e)P 2p,(f)N 1s XPS图谱

图3.  （a,b）CoNi-MOF,（c,d）CoNi-MOF-Fe,（e,f）CoNiP_x@P,N-C,(g,h)CoNiFeP_x@P,N-C.的SEM图像。（i）CoNiFeP_x@P,N-C的元素映射图像

图4.（a）CoNi-MOF，（b）CoNiFe-MOF，（c,d）CoNiPx@P,N-C，（e）CoNiFePx@P,N-C.的TEM图像。（f）HRTEM图像，（g）HAADF-STEM图像，（h）CoNiFeP_x@P,N-C的EDS元素的映射图像，（i，k）N₂吸附-解吸等温线，（j，l）的孔径分布曲线，(i,j)CoNiP_x@P,N-C和(k,l) CoNiFeP_x@P,N-C

图5. （a）LSV极化曲线，（b）Tafel斜率，（c）C_dl值，（d）RuO₂，CoNiFe@N-C，CoNiP_x@P,N-C，和CoNiFeP_x@P,N-C催化剂的奈奎斯特图，（e）CoNiFePx@P,N-C循环3000 CV前后的LSV图，（f）CoNiP_x@P,N-C和CoNiFeP_x@P,N-C在恒定点位下30 h的计时电流法，计时电流之后CoNiFePx@P,N-C的（g,h）TEM图像，（i）HRTEM图像

文章链接

Xiaojun Zeng,* Qingqing Zhang, Chulong Jin, Hui Huang,* Yanfeng Gao*, Fe-induced electronic transfer and structural evolution of lotus pod-like CoNiFePx@P,N-C heterostructure for sustainable oxygen evolution.Energy Environ. Mater. 2024. e12628

DOI: 10.1002/eem2.12628

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12628

扫描右方二维码或点击阅读原文，查看文献！

作者简介

曾小军：博士，教授，江西省主要学科学术和技术带头人，景德镇陶瓷大学先进陶瓷材料研究所副所长，电磁功能材料科研创新团队负责人。北京航空航天大学博士，美国加州大学河滨分校联合培养博士，美国加州大学圣塔芭芭拉分校博士后，入选爱思唯尔数据库《2022年度全球前2％顶尖科学家榜单》。兼任SCI期刊《J. Adv. Ceram.》助理编委、《Rare Metals》青年编委，ESCI期刊《Adv. Powder Mater.》青年编委，中文核心期刊《陶瓷学报》编委，期刊《材料研究与应用》副主任编委。荣膺第二十二届“瓷都十大杰出青年”、2022年景德镇市“最美科技工作者”等称号。主要研究方向包括电磁功能材料以及能源催化材料。近年来，以第一/通讯作者发表论文70余篇，其中，SCI论文近60篇，总引用次数3000余次。

EEM

● 中科院一区、JCR  Q1区、材料大类TOP期刊

● 高质量科技期刊材料科学综合类T1期刊

● 2023年IF 15.0    

● SCIE、Scopus和EI数据库收录

● 中国核心引文库CSCD核心库来源期刊

● 2023中国最具国际影响力学术期刊

Energy & Environmental Materials 

(简称EEM，中文名：能源与环境材料)是由郑州大学出版的国内外公开发行的英文期刊，主要报道能源捕获、转换、储存和传输材料以及洁净环境材料领域的高水平研究成果。EEM为材料、化学、物理、医学及工程等多学科及交叉学科的研究者提供交流平台，激发新火花、提出新概念、发展新技术、推进新政策，共同致力于清洁、环境友好的能源材料研发，促进人类社会可持续健康发展。

发展历程