Wang, Y., Yu, J., Wang, Y., Chen, Z., Dong, L., Cai, R., Hong, M., Long, X. i Yang, S. (2020). Synteza szablonowa in situ mezoporowatego elektrokatalizatora Ni-Fe do reakcji wydzielania tlenu. Natarcia RSC, 10(39), 23321–23330. https://doi.org/10.1039/d0ra03111a
Wspierając rozwój elektrokatalizatorów, ReactRaman dostarcza szczegółowych informacji na temat wiązań wewnątrz i na powierzchni mezoporowatego elektrokatalizatora Ni-Fe.
Autorzy wypowiadają się na temat znaczenia opracowania elektrokatalizatorów do stosowania w reakcjach wydzielania tlenu (OER). Elektrokatalizatory te muszą charakteryzować się określonymi kluczowymi cechami wydajności, takimi jak miejsca aktywne, które są równomiernie rozmieszczone i łatwo dostępne na powierzchni katalizatora, a jednocześnie są opłacalne i zrównoważone. Aby osiągnąć te cele, przeprowadzili badania i opracowali metodę przygotowania mezoporowatej struktury z zmatowionej krzemionki (MFS), która dyspersjonowała Ni²⁺ i Fe³⁺ przy użyciu prostego podejścia. Ta metoda wykorzystuje dostępny na rynku MFS jako podporę 3D do przyłączania jonów metali. Poprzez wytrawianie struktury impregnowanej metalem MFS za pomocą KOH, utworzony elektrokatalizator Ni−Fe−O ma kluczowe cechy OZE, takie jak dobra zdolność przenoszenia ładunku, duża elektrochemiczna powierzchnia aktywna i ogólnie doskonała stabilność.
Zsyntetyzowano serię katalizatorów NiFe-MFS z różnymi stosunkami molowymi wodnych roztworów metal-jon. Wykorzystano szereg technik w celu uzyskania szczegółowej wiedzy na temat mikrostruktury tych elektrokatalizatorów. Obejmowało to transmisyjną mikroskopię elektronową w celu zbadania nanostruktury, promieniowanie rentgenowskie z dyspersją energii w celu zmapowania rozkładu pierwiastków Ni, Fe, Si i O oraz dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego w celu analizy krystaliczności próbek. Morfologię badano za pomocą emisyjnej skaningowej mikroskopii elektronowej; Rentgenowska spektroskopia fotoelektronów analizowała energię wiązania pierwiastków, a analizę pierwiastkową przeprowadzono przy użyciu indukcyjnie sprzężonego plazmowo-atomowego spektrometru emisyjnego. Powierzchnię i porowatość struktury badano za pomocą pomiarów adsorpcji i desorpcji gazowego azotu.
Wiązanie metali Ni/Fe z podłożem z zmatowionej krzemionki przeanalizowano i zweryfikowano za pomocą spektroskopii ReactRamana. W przypadku nieopancerzonego MFS obserwuje się pasma na 345–450, 575, 750, 973 i 1070 cm⁻¹, powstające z szeregu wiązań wibracyjnych Si−O−Si i Si−OH. W przypadku próbek, które są impregnowane wysoką zawartością żelaza, obserwuje się pasma na wysokości 332, 495 i 1163 cm⁻¹ wynikające odpowiednio z gięcia O-Fe-O, zginania Fe-O-Si i asymetrycznego rozciągania Fe-O-Si. Obserwacje te wykazały, że żelazo zostało skutecznie włączone do sieci krzemionkowej. W przeciwieństwie do tego, gdy nikiel został zaimpregnowany w zmatowionej krzemionce, pasmo rozciągające Si−OH o powierzchni 973 cm⁻¹ było znacznie osłabione i nie zaobserwowano żadnych dodatkowych pasm. Ocena rentgenowskich pomiarów fotoelektronów i Ramana doprowadziła do wniosku, że podczas gdy Fe³⁺ woli wstawiać się w ramy zmatowionej krzemionki i tworzy wiązanie Fe-O-Si, Ni²⁺ wiąże się kowalencyjnie z grupami Si−OH na zmatowionej powierzchni krzemionki.
Przeprowadzono szereg badań elektroanalitycznych, które wykazały znaczenie stosunku jonów metali do wydajności oraz że wiązanie Ni i Fe o optymalnej zawartości prowadzi do optymalnej wydajności OZE i poprawy kinetyki reakcji. Próbka 1Ni1Fe-MFS wykazała najwyższą wewnętrzną aktywność OZE, podczas gdy katalizator 2Ni1Fe-MFS miał większą pojemność dwuwarstwową i elektrochemicznie aktywną powierzchnię. Przeprowadzono szereg badań spektroskopowych w celu określenia zmian w katalizatorze po OZE. Wykazali, że w obecności KOH, Si został wytrawiony, odsłaniając pierwiastki Ni i Fe, które były aktywnymi centrami OZE. Dalsze prace wykazały, że nawet po długotrwałej eksploatacji elektrycznej katalizator 2Ni1Fe-MFS pozostaje zarówno wysoce wydajny, jak i stabilny podczas procesu OZE, w porównaniu z testami z elektrodami IrO₂ i RuO₂.
