综述用于析氧反应的D层状双氢氧化物：从基础设计到应用

华中科技大学王春栋与中科大熊宇杰Adv.EnergyMater.综述用于析氧反响的2D状双氢氧化物：从根底设计到应用随着煤炭、石油、自然气等不行再生能源的渐渐枯竭，可再生能源的开发变得紧迫起来，因此急需开发更加高效的能量存储和转换系统。电化学水氧化作为水分解过程中的重要局部引起了人们的广泛关注，在能量存储和转换方面有着宽阔的应用前景。与参与水分解的阴极局部的析氢反响〔HER〕相比，阳极的析氧反响〔OER〕由于其四电子〔4e〕转移过程中的惰性使其具有迟滞的反响动力学过程，这不仅阻碍了水分解的高效利用，而且也是减少二氧化碳排放，进展燃料电池及可充电金属空气电池的主要障碍之一。为提高电解水过程中的OER活性，一些已经被商业化的催化剂如RuO2和IrO2，具有优异的催化活性，但这些贵金属催化剂在高阳极电位下的碱性电解液中可能被氧化成 RuO4和IrO3，使其渐渐溶解在电解液中。此外，这些贵金属含量稀缺性价格昂贵，限制了它们的大规模生产使用。因此争论者们为开发替代的催化剂做出了很多实质性的努力，其中一种策略是利用高效、稳定、地表含量丰富和低毒性的非贵金属电催化剂来提高OER活性。在这些众多的非贵金属电催化剂中，二维层状双氢氧化物〔LDHs〕作为最先进的OER电催化剂之一，其构造和组成灵敏可调，制备方法简洁牢靠，有望成为高性能大规模工业化应用的OER电催化剂。最近，Adv.EnergyMater.在线登载了华中科技大学王春栋副教授和中国科技大学熊宇杰教授等人总结的用于氧气释放反响的2D层状双氢氧化物的综述。题目是“2DLayeredDoubleHydroxidesforOxygenEvolutionReaction:FromFundamentalDesigntoApplication ”。在这篇综述中，作者总结了基于层状双氢氧化物〔LDH〕的OER电催化剂的合理设计的最进展。进一步总结了制备方法的各种策略，以及 LDH的构造和组成调控规律，并争论了影响OER催化性能的因素。最终，作者指出了提高LDH电催化剂催化活性所面临的困难和挑战，并对LDH电催化剂的进展前景进展了展望。文章第一作者为华中科技大学博士争论生吕琳，通讯作者为王春栋副教授和熊宇杰教授。1、引言表现为金属氢氧化物八面体沿晶体表现为金属氢氧化物八面体沿晶体c轴积存，以及水和阴离子在夹层区域呈现。2、电解OER的根本原理、超电势、交换电流密度、Tafel斜率、OER机制3、制备方法、溶剂热法、微波辐射法、电沉积法、腐蚀工程法、溶剂蒸发法、旋涂法、离子交换法4、LDH纳米片的插层构造和剥离、插层构造、原位插层图三、HPO32−插层的NiFeLDH〔a〕HPO32 插层的NiFeLDH构造模型；NiFeNiFeLDH上的OER过程；Ni和〔d〕Fe位点的结合能和Bader电荷作为试验测量的各种所制备的NiFeLDH的起始电位的函数〔●：结合Bader电荷〕。、离子交换〔a〕制备的〔蓝色〕和在环境空气下1.0MKOH水溶液中悬浮后〔红色〕的，具有不同夹层阴离子的NiFeLDH纳米片的基底间距；在几乎不含碳酸盐的电解质的水溶液〔在几乎不含碳酸盐的电解质的水溶液〔1.0MKOH〕中具有不同夹层阴离子的NiFeLDH材料的恒电流电解：真空状态〔蓝色〕和环境空气〔红色〕。灰色显示裸石墨盘的计时电位数据。全部数据以1mAcm-2的恒定电流密度收集；不同夹层阴离子的NiFeLDH转化为碳酸盐夹层LDH的制备过程及示意图；各种NiFeLDH样品的XRD图谱；不同NiFeLDH样品在ECSA归一化〔虚线〕之前和之后的循环伏安〔CV〕曲线；通过CV曲线用于双层电容估量的ECSA分析。、LDH纳米片的剥离、液体剥离LDH片状剥离过程示意图；NiFeLDH-CO32-的TEM图〔标尺，1μm〕；〔c~d〕大块NiFeNiCoCoCoLDH及其片状剥落物的极化曲线和对应过电位；NiFeLDH-NS@DG复合材料的制备示意图；块状NiFeLDH和剥离的NiFeLDHNS的XRD图；〔g~h〕剥离的NiFeLDH-NS和DG的AFM图；〔i~j〕不同放大倍数的NiFeLDH-NS@DG的TEM图，以及相应的选定区域电子衍射〔SAED〕图。、等离子体关心剥离图六、等离子体刻蚀CoFeLDHs从从AFM测试中得出的大块CoFeLDHs和超薄CoFeLDHs-Ar纳米片的高度曲线；块状CoFeLDH和超薄CoFeLDHs-Ar的XRD图；〔c~d〕CoFeLDHs和超薄CoFeLDH-Ar中Co和Fe的FT-EXAFS光谱。5、Ni或Co基LDHOER催化剂〔a~b〕α-Ni(OH〔a~b〕α-Ni(OH)2〔Ni2+O2-；粉红色，H+〕和β-Ni(OH)2〔Ni2+O2H+〕的晶体构造图；〔c〕氢氧化镍在充/放电过程中的电化学过程。、双金属LDH〔a〕NiFeLDHHMS的合成示意图；〔b~c〕NiFeLDHHMS的SEM和TEM图；NiFeLDHHMS和NiFeLDHNP的N2吸附等温线和孔径分布；NiFeLDHHMS和NiFeLDHNP的接触角测试；NiFe中空纳米棱柱的形成示意图；〔g~h〕棱柱状Ni前体的SEM和TEM图；〔i~l〕不同放大倍数的NiFe空心纳米棱柱的SEM和TEM图。图九、CoMnLDH超薄纳米片〔a〕CoMnLDH的原子模型；〔b〕CoMnLDH的TEM图；不同样品在1MKOH中的极化曲线；过电位和电流密度；炭化电流密度差与扫描速率的关系；在10mAcm2连续阳极条件作用下的极化曲线；〔g~h〕TEM图和SAED图；纳米片的AFM图像和相应的高度剖面；Ni0.75Fe0.25LDH和Ni0.75V0.25LDH的Tafel图；中间产物吸附的自由能分布图:H2O，*OH，*O和*OOH图十、NiFeLDH催化OER过程争论在NiFeLDH/羟基氧化物不同电位下使用Mössbauer谱的Operando试验的CV测试；NiFeLDH和含水Fe氧化物中的电子效应图；不同条件下单层Ni(OH2的AFM图像和构造示意图；扫描速率为50mVs1的单层Ni(OH)2和在0.1MKOH中不同铁掺入量的Ni(OH2的CV曲线；在循环过程中后续参与不同量铁的体积变化；在0.1MKOH和不同相对RHE电位的OER过程中NiFeLDH的原位拉曼光谱；NiFeLDH的OER机制。、三金属LDH图十一、NiFeVLDH纳米片阵列〔a〕NiFeVLDH构造示意图；〔b~c〕NiFeV〔b~c〕NiFeVLDH纳米片阵列的SEM和TEM图；〔d〕NiFeLDHs和NiFeVLDHs的4e OER机制；〔e〕在NiFeLDHs和NiFeVLDHs上OER四个步骤的吉布斯自由能图；〔f〕NiFeLDHs和NiFeVLDHs的总态密度〔TDOS〕；〔g〕MoFe:Ni(OH)2/NiOOH纳米片在泡沫Ni上的制备示意图；〔h〕以火山图的形式呈现NiOOH,Fe:NiOOH和MoFe:NiOOH的OER活性；〔i〕NiOOH,Fe:NiOOH和MoFe:NiOOH的掺杂形成能及其模型构造。、LDHs的三维层级复合纳米构造、LDH/、LDH/〔a〕@NiFeLDH在泡沫Cu上的制备工艺示意图；〔b~e〕@NiFeLDH的SEM，TEM图及其极化曲线；〔f〕复合外表上不同电位下单原子Au/NiFeLDH的CO32及层间水分子的平板模型、OER路径和OER自由能图；TEMTEM图；HAADF-STEM图；极化曲线及其相应的过电位和Tafel斜率；〔j〕含或不含金原子的NiFeLDH的电荷密度分布图。、LDH/NiFeLDH@NiFe磷酸盐杂化物的制备工艺示意图；杂化物的SEM图；〔c~d〕NiFeLDH和NiFeLDH@NiFe磷酸盐杂化物的接触角测量；〔e~f〕〔e~f〕外加电压1.9V下，气泡对NiFeLDH和NiFeLDH@NiFe磷酸盐杂化物的影响；〔g〕FeNiLDH/Ti3C2–Mxene的形成示意图；〔h~i〕复合材料的SEM图和TEM图；〔j〕极化曲线及其相应的过电位；〔k〕FeNiLDH/Ti3C2–Mxene杂化模型构造的俯视图和侧视图；〔l〕FeNiLDH和FeNiLDH/Ti3C2–Mxene的Ni和Fe在3d轨道态密度〔DOS〕和推想DOS〔PDOS〕，虚线表示d能带中心。6、总结与展望总的来说，LDH由于其制备工艺简洁、本钱低、灵敏性好、基体金属离子可调、层间阴离子可替代等特点，被认为是目前最受欢迎的高活性电催化OER材料之一。尽管文中总结的各种技术极大地提高了LDHs的催化活性，但在强电流电解中对OER的催化性能仍远未能到达预期，且不行逆副反响也会导致其耐久性差，这些缺陷使其不能满足实际应用工业化的要求。因此，作者指出对于LDHs的层压构造，理解其主体层中金属组分与活性位点之间的关系，以及层间阴离子对催化活性的影响是至关重要和极具挑战性的。尽管通过操纵层压构造调整