水等离子体辅助剥离多空位层状双金属氢氧化物纳米片催化水氧化

氢能源具有高能量密度，是一种清洁、可再生的能源，在许多领域都具有广泛的应用。电催化分解水制氢是非常有前景的制氢方法之一，氧析出反应（OER）被认为是电催化分解水的决速反应，是一个多步骤、四电子过程的上坡反应，其反应动力学差、过电势高。因此，发展廉价并高效的氧析出反应电催化剂至关重要。过渡金属层状双金属氢氧化物由于具有独特的2D结构、大比表面积以及特殊的电子结构表现出良好的电催化性能，但块状LDHs的厚度限制了电催化活性位点的暴露，从而抑制OER的电催化活性。目前的液相剥离LDHs方法通常是高成本、有毒和溶剂条件下的强吸附使被剥落的LDHs纳米片表面的分子阻断催化活性部位。因此，开发高效的方法剥离LDHs至关重要。

图1. DBD反应器和水DBD等离子体激活剥离CoFe LDHs纳米片的示意图

最近，湖南大学的王双印（点击查看介绍）教授（通讯作者）课题组报道了一种清洁、快速和高效的方法制备多孔超薄层状双金属氢氧化物（CoFe LDHs），用DBD等离子体技术处理体相钴铁双金属氢氧化物纳米片（CoFe LDHs），液相剥离得到二维超薄纳米片。该课题组首次设计了利用水等离子体剥离体相层状双金属氢氧化物，其成果近期发表在Advanced Materials 上，第一作者为湖南大学化学化工学院的硕士研究生刘荣和博士研究生王燕勇。

图2. 原样CoFe LDH和水等离子体剥离CoFe LDH的SEM、TEM和HTEM成像

与传统的液相剥离相比，水等离子体剥离具有清洁、快速和高效的优势，同时避免了有机溶剂分子的吸附。剥离得到的纳米片能够以粉末的形式稳定存在。由SEM，TEM，HRTE和AFM成像可以看出，水等离子体处理后，LDHs纳米片的厚度明显减小，表面变得粗糙。与此同时，XAS和XPS分析证明剥离所得到的二维超薄纳米片具有多种类型的空位，富含氧空位、钴空位和铁空位。这些多空位的位点具有更高的电催化活性，更有利于吸附水分子及其中间产物，发生反应并产生氧气。

图3. 原样CoFe LDH和水等离子体剥离CoFe LDH的AFM成像和高度曲线图

图4. CoFe LDHs和水等离子体剥离CoFe LDH的X射线近边吸收图谱

与原样CoFe LDHs相比，水等离子体剥离所得到的2D超薄CoFe LDHs纳米片具有更大的比表面积，能够暴露出更多的活性位点催化水氧化。更为重要的是，多种空位的产生更有利于催化OER。由电催化性能图可以看出，水等离子体处理CoFe LDHs得到的多孔超薄CoFe LDHs表现出更好的氧析出性能，其过电位势仅为36 mV•dec^-1。塔菲尔线率和电荷转移阻抗也减小。水等离子体处理后，氧析出性能明显提高，这是由于水等离子体对体相CoFe LDHs纳米片进行剥离，形成2D超薄的CoFe LDHs纳米片具有更高的比表面，易于暴露更多的电催化活性位点，从而提高其氧析出性能。另外，水等离子体对二维超薄CoFe LDHs纳米片表面具有刻蚀作用，导致2D超薄CoFe LDHs纳米片中含有钴空位、铁空位以及氧空位，有利于氧析出反应中间体的吸附，从而进一步提高氧析出性能。相关工作发表在Advanced Materials上。

图5. CoFe LDHs和水等离子体剥离CoFeLDHs在1 M KOH中的电催化性能

该论文作者为：Rong Liu, Yanyong Wang, Dongdong Liu, Yuqin Zou, Shuangyin Wang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Water-Plasma-Enabled Exfoliation of Ultrathin Layered Double Hydroxide Nanosheets with Multivacancies for Water Oxidation

Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201701546

导师介绍

王双印

http://www.x-mol.com/university/faculty/10085