新技术减少电催化剂“铁流失”

记者从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏教授团队和高敏锐教授课题组通过对传统普鲁士蓝(PBA)材料进行氮气等离子体轰击，成功研制了一种富含氰基空位的高效析氧反应催化剂。这种氰基空位不仅能够调节PBA材料的局域电子结构和金属配位环境，还能够高效抑制铁活性物种在电循环过程中的流失。相关研究成果日前发表在《自然·通讯》上。
析氧反应(OER)是光/电解水和金属空气电池等新能源存储与转化器件的关键半反应。发展廉价高效的析氧反应电催化剂，进一步降低电极过电势、提升器件能量效率是非常具有挑战性的课题。材料缺陷工程能够调节催化剂的电负性、电荷分布以及配位环境，被认为是一种有效提升催化剂性能的策略。设计新型缺陷结构，营造新的活性位形式，有望进一步优化既有催化材料的催化性能。
研究人员以钼酸镍纳米棒为模板，首先制备出多孔的镍铁基PBA材料，随后对其进行氮气等离子体轰击，即可得到富含有氰基空位的PBA催化剂。通过多种表征手段，例如高分辨透射电镜、正电子湮灭技术、元素含量分析、以及尾气吸收检测等，确认这种新型氰基空位的形成。
电化学测试显示，经过氮气等离子体轰击60分钟的PBA样品，表现出最好的析氧反应活性，远优于其它高效的析氧反应催化剂，结构分析表明，这种高的析氧反应活性来源于氰基空位诱导产生的不饱和镍铁位点。进一步发现，不含氰基空位的PBA材料的铁活性物种会逐渐溶解到电解液中。与之形成鲜明对比的是，含有氰基空位PBA会大幅度抑制铁活性物种的流失，从而在析氧反应循环过程中自重构形成高活性的表面活性层，进而导致优异的OER活性和稳定性。
这一成果提供了一种新的制备高活性镍铁羟基氧化物的策略，并为发展新的缺陷类型提供了新的借鉴，为今后设计更加高效的氧析出反应催化剂提供了崭新的思路。