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Ultra-fast and In-depth Reconstruction of Transition Metal Fluorides in Electrocatalytic Hydrogen Evolution processes

知乎  顶刊动态  发布于 2021-11-22

目前,几乎没有关于析氢反应(HER)完全重构的报道。基于此,武汉理工大学木士春研究员和吴劲松教授(共同通讯作者)等人报道了一种新型可重构氟化物(CoF2、NiF2和FeF3(H2O)0.33等)预催化剂,具有超快和深入的自重构,极大提高了HER活性。

由于HER过程中氟离子(F-)的浸出,氟化物经历了连续快速的自发重建过程,导致过电位大大降低。其中,CoF2不仅表现出与基准Pt/C相当的非凡催化活性,而且还具有超过Pt/C的高稳定性。

通过原位拉曼光谱结合非原位X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和球差校正电子显微镜(AC-TEM)分析,作者系统地揭示了连续自重建过程CoF2,其中单组分六方晶相β-Co(OH)2表现为约5 nm纳米粒子(NPs),相互连接成多孔且有缺陷的交织纳米片(NSs)。

此外,作者通过实验和密度泛函理论(DFT)计算,确定了氟化物独特的表面结构、碱性电解质和偏压是HER完全重构的关键因素。F原子在氟化物表面的富集提供了自发和连续重构的可行性。碱性电解质触发快速F-浸出,并且立即补充OH-以形成无定形α-Co(OH)2,该无定形α-Co(OH)2迅速转化为β-Co(OH)2

偏压促进了非晶晶化,加速了重构过程。这使得单组分和结晶β-Co(OH)2的生成具有松散和缺陷的结构,在电流密度为10 mA cm-2时具有超低过电位为54 mV,超长期稳定性超过Pt/C。DFT计算证实F浸出优化了氢和水的吸附能,提高了其动力学。同时,自重构也适用于其他非贵过渡金属氟化物。该工作建立了对HER过程中完全自发重建的基本理解,并为构思高级催化剂提供了一个新的视角。

Ultra-Fast and In-Depth Reconstruction of Transition Metal Fluorides in Electrocatalytic Hydrogen Evolution Processes. Adv. Sci.,2021, DOI: 10.1002/advs.202103567.