理化所超小NiO納米片高活性電催化劑研究獲進展

　　二維納米材料因其獨特的層板結(jié)構(gòu)、大比例暴露活性位等優(yōu)勢，在光電催化方面展現(xiàn)了優(yōu)越的性能，引起科研人員的廣泛關(guān)注。層狀雙氫氧化物（水滑石，LDH）因其層板由多種組分構(gòu)成、層板厚度可調(diào)等優(yōu)勢，在催化方面展現(xiàn)了極強的可調(diào)控性。

　　中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員張鐵銳團隊多年來集中納米材料的可控設(shè)計以及光電催化性能的研究，前期通過調(diào)控LDH納米材料的堆疊厚度，實現(xiàn)了氧缺陷摻雜活性位的調(diào)控，在光催化還原CO2方面展現(xiàn)了優(yōu)越的催化性能（Adv. Mater. 2015, 27, 7824）；進一步以LDH為載體，通過高溫氨化，成功實現(xiàn)了全分解水納米Ni3FeN電催化劑的研制（Adv. Energy Mater. 2016, 10.1002/aenm. 201502585）；圍繞LDH納米結(jié)構(gòu)，通過高溫還原制備了界面豐富的Ni/NiO異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，在可見光驅(qū)動CO加氫C-C偶聯(lián)方面實現(xiàn)了突破（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4215）。研究人員通過研究LDH基納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈?、氧化物的拓撲過程，結(jié)合理論計算等手段，從原子層次深入揭示了電子結(jié)構(gòu)、配位環(huán)境、能帶、表面缺陷等結(jié)構(gòu)特征與載流子分離和利用效率的關(guān)聯(lián)，所獲得的催化材料在光電催化方面顯示了極強的結(jié)構(gòu)可調(diào)優(yōu)勢，為設(shè)計高性能光電催化材料提供了思路。

　　在光電催化轉(zhuǎn)化過程中，電極材料的性能直接影響光電轉(zhuǎn)化效率，制備高性能電催化材料依舊是一個挑戰(zhàn)。氧化鎳納米顆粒因其成本低廉、性能優(yōu)越等優(yōu)勢，受到科研和工業(yè)界的密切關(guān)注。近年來的研究表明，暴露高活性晶面的氧化鎳納米顆粒可明顯提高催化效果，然而，目前所報道的氧化鎳納米顆粒的過電勢較高，主要是由于其較大的粒子尺寸限制了比表面積的提高和高活性晶面的暴露比例，進而限制了電子的利用效率。開發(fā)制備高活性面優(yōu)先暴露的超薄超小NiO納米顆粒是提高NiO電催化活性的關(guān)鍵。

　　近期，該課題組在水滑石高溫還原制備Ni/NiO異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的前期工作基礎(chǔ)上（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4215），進一步通過精準調(diào)控LDH前體形貌，通過微乳液法合成單層NiTi-LDH納米片，經(jīng)高溫煅燒合成了超薄超小NiO/TiO2異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，在電催化分解水產(chǎn)氧方面展現(xiàn)了優(yōu)越的催化性能。高分辨透射電鏡、X射線精細結(jié)構(gòu)衍射、X射線光電子能譜與順磁共振表明，NiO/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，超薄NiO納米片大量暴露了{110}活性面并伴隨有鎳空位的存在，該鎳空位周圍的Ni2+被氧化為Ni3+，其eg軌道中的空余自旋軌道有利于和H2O的鍵合；并且異質(zhì)結(jié)構(gòu)豐富的界面，進一步促進了電催化分解水產(chǎn)氧反應(yīng)的進行。量化計算表明，含有鎳空位的NiO其電子傳導(dǎo)率以及對H2O的吸附能均高于完美NiO，進一步促進了電催化反應(yīng)的進行。超薄超小氧化物材料在電催化方面具有潛在的應(yīng)用價值，此方法也適用于制備其他金屬氧化物（如FeOx、CoOx、MnOx等）納米片電催化劑。

　　相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在國際化學(xué)期刊《美國化學(xué)會志》（Ultrafine NiO Nanosheets Stabilized by TiO2 from Monolayer NiTi-LDH Precursors: An Active Water Oxidation Electrocatalyst, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6517）。論文第一作者為助理研究員趙宇飛。

　　相關(guān)研究工作得到了科技部國家重點基礎(chǔ)研究計劃、國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目、國家自然科學(xué)基金委青年基金項目、國家萬人計劃-青年拔尖人才支持計劃、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重大突破項目的大力支持。