表面修饰的Ni3Fe-LDHs析氧反应的理论和实验研究

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非贵金属的电化学析氧反应催化剂中,NiFe基水滑石表现出优异的性能被广泛研究。研究表明催化剂的活性与活性位点的周围环境密切相关,本文通过密度泛函理论计算了 Ni3Fe-LDHs暴露表面(110)被不同氧、硫原子覆盖时的金属位点的过电位,计算结果表明,在暴露表面被1/4分子层的氧元素或硫元素覆盖时,其过电位更加小,氧气析出反应性能被提高。在Fe位点,氧/硫元素在1/4分子层覆盖时的过电位分别为0.45 eV/0.153 eV,相比洁净表面的过电位0.57 eV更加小。为了解释氧/硫覆盖对水滑石的性能影响,我们进一步计算了态密度和电荷密度。态密度计算结果表明氧/硫覆盖以后会影响金属周围的电子结构,同时电荷密度分析表明金属位点的电子云密度减少,更有利于反应第一步OH的吸附。同时研究了磷酸根修饰的Ni3Fe-LDHs在电解水中的应用。研究了其(001)面和(100)面被磷酸根离子修饰时OER过程中中间体的吸附能和析氧反应过电位。计算结果表明有磷酸根存在时,Ni3Fe-LDHs具有更好的OER选择性。通过分析态密度发现磷酸根会使得金属位点的d带中心更靠近费米能级,优化中间体的吸附能。吉布斯自由能计算结果分析发现,磷酸根是很好的质子接受体,可以加速溶液中水的分解,降低OH的吸附能进一步提高OER的选择性。通过水热和电沉积的方法合成了直接生长在CoPx纳米线上的Ni3Fe-LDHs,对其进行电化学性能测试和相关表征。结果显示,材料表面有磷酸根的存在,在电化学性能测试中,其OER过电位降低。实验和理论分析的结果一致,这为电解水的催化剂设计提供了一种新的研究方向。
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