Wang, Y., Yu, J., Wang, Y., Chen, Z., Dong, L., Cai, R., Hong, M., Long, X., & Yang, S. (2020). In-situ-Templating-Synthese eines mesoporösen Ni-Fe-Elektrokatalysators für die Sauerstoffentwicklungsreaktion. RSC Fortschritte, 10(39), 23321–23330. https://doi.org/10.1039/d0ra03111a
Zur Unterstützung der Entwicklung von Elektrokatalysatoren liefert ReactRaman detaillierte Informationen über die Bindung innerhalb und an der Oberfläche des mesoporösen Ni-Fe-Elektrokatalysators.
Die Autoren kommentieren die Bedeutung der Entwicklung von Elektrokatalysatoren für den Einsatz in Sauerstoffentwicklungsreaktionen (OER). Diese Elektrokatalysatoren müssen bestimmte wichtige Wirkungsgradmerkmale aufweisen, wie z. B. aktive Zentren, die gleichmäßig verteilt und leicht verfügbar auf der Oberfläche des Katalysators sind und gleichzeitig kostengünstig und nachhaltig sind. Um diese Ziele zu erreichen, erforschten und entwickelten sie eine Methode zur Herstellung eines mesoporösen Gerüsts aus pyrogener Kieselsäure (MFS), das Ni²⁺ und Fe³⁺ mit einem einfachen Ansatz dispergiert. Bei dieser Methode wird kommerziell erhältliches MFS als 3D-Träger verwendet, um die Metallionen zu befestigen. Durch das Ätzen der metallimprägnierten MFS-Struktur mit KOH weist der gebildete Ni-Fe-O-Elektrokatalysator Schlüsseleigenschaften für OER auf, wie z. B. eine gute Ladungsübertragungsfähigkeit, eine große elektrochemisch aktive Oberfläche und eine insgesamt hervorragende Stabilität.
Eine Reihe von NiFe-MFS-Katalysatoren wurde mit unterschiedlichen Molverhältnissen von wässrigen Metallionenlösungen synthetisiert. Eine Reihe von Techniken wurde verwendet, um ein detailliertes Verständnis der Mikrostruktur dieser Elektrokatalysatoren zu entwickeln. Dazu gehörten die Transmissionselektronenmikroskopie zur Untersuchung der Nanostruktur, energiedispersives Röntgen zur Kartierung der Ni-, Fe-, Si- und O-Elementverteilung und Röntgenbeugung zur Analyse der Kristallinität der Proben. Die Morphologie wurde mittels Emissions-Rasterelektronenmikroskopie untersucht; Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie analysierte die Bindungsenergie der Elemente, und die Elementanalyse wurde mit einem induktiv gekoppelten Plasma-Atomemissionsspektrometer durchgeführt. Die Oberflächen- und Strukturporosität wurde mit Hilfe von Adsorptions-Desorptions-Messungen von Stickstoffgas untersucht.
Die Bindung der Ni/Fe-Metalle an den pyrogenen Kieselsäureträger wurde analysiert und mit der ReactRaman-Spektroskopie verifiziert. Für undotierte MFS werden Banden bei 345–450, 575, 750, 973 und 1070 cm⁻¹ beobachtet, die sich aus einer Reihe von Si-O-Si- und Si-OH-Schwingungsbindungen ergeben. Bei Proben, die mit einem hohen Eisengehalt imprägniert sind, werden Banden bei 332, 495 und 1163 cm⁻¹ beobachtet, die sich aus der O-Fe-O-Biegung, der Fe-O-Si-Biegung bzw. der asymmetrischen Fe-O-Si-Dehnung ergeben. Diese Beobachtungen deuteten darauf hin, dass das Eisen effektiv in das Siliziumdioxidgitter eingebaut wurde. Im Gegensatz dazu wurde bei der Imprägnierung von Nickel in die pyrogene Kieselsäure die Si−OH-Streckbande der Oberfläche von 973 cm⁻¹ signifikant geschwächt und es wurden keine zusätzlichen Banden beobachtet. Die Auswertung der Röntgenphotoelektronen- und Raman-Messungen führte zu der Schlussfolgerung, dass Fe³⁺ sich bevorzugt in das Gerüst der pyrogenen Kieselsäure einfügt und eine Fe-O-Si-Bindung bildet, während Ni²⁺ kovalent an Si−OH-Gruppen auf der Oberfläche der pyrogenen Kieselsäure bindet.
Eine Reihe von elektroanalytischen Studien wurde durchgeführt, die zeigten, wie wichtig das Metallionenverhältnis für die Leistung ist und dass die Bindung von Ni und Fe bei einem optimalen Gehalt zu einer optimalen OER-Effizienz und einer verbesserten Reaktionskinetik führt. Die 1Ni1Fe-MFS-Probe zeigte die höchste intrinsische OER-Aktivität, während der 2Ni1Fe-MFS-Katalysator die größere Doppelschichtkapazität und die elektrochemisch aktive Oberfläche aufwies. Eine Reihe von spektroskopischen Untersuchungen wurde durchgeführt, um die Veränderungen des Katalysators nach OER zu bestimmen. Sie zeigten, dass in Gegenwart des KOH das Si geätzt wurde, wodurch Ni- und Fe-Elemente freigelegt wurden, die die aktiven OER-Zentren waren. Weitere Arbeiten zeigten, dass der 2Ni1Fe-MFS-Katalysator auch nach langfristigem elektrischem Betrieb während des OER-Prozesses sowohl hocheffizient als auch stabil bleibt, wie in Vergleichstests mit IrO₂- und RuO₂-Elektroden gezeigt wurde.
