超薄超小NiO/TiO2纳米片高活性电催化剂研究取得新进展

　　二维纳米材料因其独特的层板结构，大比例暴露活性位等优势，在光催化、电催化方面展现了优越的性能，引起科研人员的广泛关注。层状双氢氧化物（水滑石，LDH）因其层板由多种组分构成，层板厚度可调等优势，在催化方面展现了极强的可调控性。中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员团队，多年来集中于纳米材料的可控设计以及光电催化性能的研究，通过研究LDH基纳米结构转变为氧化物的拓扑过程，结合理论计算等手段，从原子层次深入揭示了电子结构、配位环境、能带、表面缺陷等结构特征与载流子分离和利用效率的关联，所获得的催化材料在光电催化方面显示了极强的结构可调优势，为设计高性能光电催化材料提供了思路。 

　　在光电催化及电催化转化过程中，电极材料的性能直接影响光电转化效率，制备高性能电催化材料依旧是一个挑战。NiO纳米颗粒因成本低廉、性能优越等优势，受到科研和工业界的密切关注。近年来的研究表明，暴露高活性晶面的NiO纳米颗粒可明显提高催化效果，然而，目前所报道的NiO纳米颗粒的过电势较高，主要是由于其较大的粒子尺寸限制了比表面积的提高和高活性晶面的暴露比例，进而限制了电子的利用效率。开发制备高活性面优先暴露的超薄超小NiO纳米颗粒是提高NiO电催化活性的关键。 

　　图1 单层NiTi-LDH纳米片为前体合成超薄超小NiO/TiO2异质纳米片 

　　张铁锐研究员课题组通过微乳液法合成单层NiTi-LDH纳米片，精准调控LDH前体形貌，经高温煅烧合成了超薄超小NiO/TiO2异质纳米结构，在电催化分解水产氧方面展现了优越的催化性能（图1）。高分辨透射电镜、X射线吸收谱、X射线光电子能谱与顺磁共振表明，NiO/TiO2异质结构中，超薄NiO纳米片大量暴露了{110}活性面并伴随有Ni空位的存在，该镍空位周围的Ni2+被氧化为Ni3+，其eg轨道中的空余自旋轨道有利于和H2O的键合；并且异质结构丰富的界面，进一步促进了电催化分解水产氧反应的进行（图2）。量化计算表明，含有镍空位的NiO其电子传导率以及对H2O的吸附能均高于完美NiO，进一步促进了电催化反应的进行。超薄超小氧化物材料在电催化方面具有潜在的应用价值，此方法也适用于制备其他金属氧化物（如FeOx、CoOx、MnOx等）纳米片电催化剂。 

　　图2 利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1B-XAFS实验站技术证明化合物中Ni空位的存在 

　　相关研究结果发表在国际化学领域顶级期刊 《美国化学学会会刊》 “Ultrafine NiO Nanosheets Stabilized by TiO2 from Monolayer NiTi-LDH Precursors: An Active Water Oxidation Electrocatalyst, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6517”。该论文第一作者为赵宇飞副研究员。 

　　发表文章： 

　　Yufei Zhao, Xiaodan Jia, Guangbo Chen, Lu Shang, Geo？rey I.N. Waterhouse, Li-Zhu Wu, Chen-Ho Tung, Dermot O’Hare, and Tierui Zhang*, Ultra？ne NiO Nanosheets Stabilized by TiO2 from Monolayer NiTi-LDH Precursors: An Active Water Oxidation Electrocatalyst, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6517-6524.