Wang, Y., Yu, J., Wang, Y., Chen, Z., Dong, L., Cai, R., Hong, M., Long, X., & Yang, S. (2020). Sintesi templante in situ di elettrocatalizzatore mesoporoso Ni-Fe per la reazione di evoluzione dell'ossigeno. Avanzamenti RSC, 10(39), 23321–23330. https://doi.org/10.1039/d0ra03111a
A supporto dello sviluppo dell'elettrocatalizzatore, ReactRaman fornisce informazioni dettagliate sul legame all'interno e sulla superficie dell'elettrocatalizzatore mesoporoso Ni-Fe.
Gli autori commentano l'importanza dello sviluppo di elettrocatalizzatori da utilizzare nelle reazioni di evoluzione dell'ossigeno (OER). Questi elettrocatalizzatori devono avere specifiche caratteristiche chiave di efficienza, come siti attivi distribuiti uniformemente e prontamente disponibili su tutta la superficie del catalizzatore, pur essendo economici e sostenibili. Per raggiungere questi obiettivi, hanno ricercato e sviluppato un metodo per preparare una struttura di silice fumata mesoporosa (MFS) che disperde Ni²⁺ e Fe³⁺ utilizzando un approccio semplice. Questo metodo utilizza MFS disponibile in commercio come supporto 3D per attaccare gli ioni metallici. Incidendo la struttura impregnata di metallo MFS con KOH, l'elettrocatalizzatore Ni-Fe-O formato presenta caratteristiche chiave per l'OER, come una buona capacità di trasferimento di carica, un'ampia superficie attiva elettrochimica e un'eccellente stabilità complessiva.
Una serie di catalizzatori NiFe-MFS è stata sintetizzata con diversi rapporti molari di soluzioni acquose di ioni metallici. Una serie di tecniche sono state utilizzate per sviluppare una comprensione dettagliata della microstruttura di questi elettrocatalizzatori. Ciò includeva la microscopia elettronica a trasmissione per studiare la nanostruttura, i raggi X a dispersione di energia per mappare la distribuzione degli elementi Ni, Fe, Si e O e la diffrazione a raggi X per analizzare la cristallinità dei campioni. La morfologia è stata studiata mediante microscopia elettronica a scansione ad emissione; La spettroscopia fotoelettronica a raggi X ha analizzato l'energia di legame dell'elemento e l'analisi elementare è stata eseguita utilizzando uno spettrometro di emissione atomica al plasma accoppiato induttivamente. L'area superficiale e la porosità della struttura sono state studiate utilizzando misure di adsorbimento-desorbimento di azoto gassoso.
Il legame dei metalli Ni/Fe al supporto di silice fumata è stato analizzato e verificato con la spettroscopia ReactRaman. Per MFS non drogata, si osservano bande a 345-450, 575, 750, 973 e 1070 cm⁻¹, derivanti da una serie di legami vibrazionali Si−O−Si e Si−OH. Per i campioni impregnati con un alto contenuto di ferro, si osservano bande a 332, 495 e 1163 cm⁻¹ derivanti rispettivamente dalla flessione O-Fe-O, dalla flessione Fe-O-Si e dall'allungamento asimmetrico Fe-O-Si. Queste osservazioni hanno indicato che il ferro è stato effettivamente incorporato nel reticolo di silice. Al contrario, quando il nichel è stato impregnato nella silice fumata, la banda di allungamento Si-OH superficiale di 973 cm⁻¹ è stata significativamente indebolita e non sono state osservate ulteriori bande. La valutazione del fotoelettrone a raggi X e delle misure Raman ha portato alla conclusione che, mentre Fe³⁺ preferisce inserirsi nella struttura della silice fumata e forma il legame Fe-O-Si, il Ni²⁺ si lega covalentemente con i gruppi Si−OH sulla superficie della silice fumata.
Sono stati eseguiti una serie di studi di elettroanalisi che hanno dimostrato l'importanza del rapporto tra ioni metallici e prestazioni e che il legame di Ni e Fe a un contenuto ottimale ha portato a un'efficienza OER ottimale e a una migliore cinetica di reazione. Il campione 1Ni1Fe-MFS ha dimostrato la più alta attività intrinseca OER, mentre il catalizzatore 2Ni1Fe-MFS aveva la capacità a doppio strato più grande e l'area superficiale elettrochimicamente attiva. Sono state effettuate una serie di indagini spettroscopiche per determinare i cambiamenti nel catalizzatore dopo le OER. Hanno dimostrato che in presenza del KOH, il Si è stato inciso, esponendo elementi Ni e Fe, che erano i centri attivi delle OER. Ulteriori lavori hanno dimostrato che, anche dopo un funzionamento elettrico a lungo termine, il catalizzatore 2Ni1Fe-MFS rimane altamente efficiente e stabile durante il processo OER, rispetto ai test con gli elettrodi IrO₂ e RuO₂.
