11月12日，武漢理工大學吳勁松/木士春教授在Advanced Science上發表重要文章，論文題為“Ultra-Fast and In-Depth Reconstruction of Transition Metal Fluorides in Electrocatalytic Hydrogen Evolution Processes”。迄今為止，幾乎沒有關于析氫反應（HER）完全重建的報道。在此，作者開發了一種新型的可重構氟化物（如 CoF2）預催化劑，具有超快速和深度的自重構，極大地促進了 HER 活性。通過實驗和密度泛函理論 (DFT) 計算，氟化物、堿性電解質和偏置電壓的獨特表面結構被確定為 HER 過程中完全重建的關鍵因素。F原子在氟化物表面的富集提供了自發和連續重建的可行性。堿性電解質引發快速 F-浸出并立即補充 OH-以形成無定形 α-Co(OH)2，該無定形 α-Co(OH)2 迅速轉化為 β-Co(OH)2。偏置電壓促進非晶結晶并加速重建過程。這些賦予單組分和結晶 β-Co(OH)2 的生成具有松散和有缺陷的結構，導致在 10 mA cm-2下具有 54 mV 的超低過電位和超過 Pt 的超長期穩定性/C。此外，DFT 計算證實 F-浸出優化了氫和水的吸附能，提高了 HER 動力學。令人印象深刻的是，自重構也適用于其他非貴重過渡金屬氟化物。這項工作建立了對 HER 期間完全自我重建的基本理解，并為構思先進的催化劑提供了新的視角。
Figure 1. A) Synthetic scheme of hexagram star CoF2 supported on CC. B) FESEM image of CoF1.3(OH)0.7. C) FESEM, D) TEM, E) HAADF-STEM (inset, EELS spectra integrated from red box region), F) HRTEM, and G) HAADF-STEM (inset, SAED pattern) images of CoF2. H–J) Corresponding EDS elemental mappings. Scale bar: (B, C) 2 μm; (D) 500 nm; (E) 20 nm; (F) 5 nm; (G–J) 200 nm, 5 nm-1 (inset).
Figure 2. A) Consecutive LSV curves, B) corresponding overpotentials (@10, 400 mA cm-2), C) consecutive EIS plots, and D) i-t curve of CoF2. E) LSV curves and F) Tafel slopes of R-CoF2, R-NiF2, and R-FeF3 (H2O)0.33 in comparison with commercial Pt/C. G) LSV curves of R-CoF2 and Pt/C before and after successive 3000 cycles CV acceleration. H) i-t curves of R-CoF2 and Pt/C.
Figure 3. A) In situ Raman spectra of CoF2 measured during HER. B) XRD patterns of CoF2 at point A–C in the i-t curve. C) Co 2p, D) O 1s, and E) F 1s spectra of CoF2 at point A–C in i-t curve and initial CoF2.
Figure 4. A) HAADF-STEM image of initial CoF2. B–D) HAADF-STEM images of CoF2 at point A–C (inset, SAED pattern). E) FESEM, F) TEM, G) HRTEM (inset, local FFT-filtered HRTEM image, FFT pattern), and H) atomic-resolution HAADF-STEM (inset, FFT pattern) images of CoF2 at point C. I–L) HAADF-STEM image and corresponding EDS elemental mappings of CoF2 at point C. Scale bar: (A) 50 nm; (B–D) 10 nm, 2 nm-1 (inset); (E) 200 nm; (F) 10 nm; (G) 5 nm, 2 nm-1 (inset); (H) 1 nm, 5 nm-1 (inset); (I–L) 50 nm.
Figure 5. A–D) Optimized structure models, E) Calculated free energy diagram (inset, optimized H* adsorption structure models), and F) H2O adsorption energy diagram (inset, optimized H2O adsorption structure models) of CoF2, CoF2–xOHx, CoF2–y(OH)y, and β-Co(OH)2.
【總結】
總之，作者構建了一類新的過渡金屬氟化物預催化劑，能夠實現超快速和完全自重建，顯著提高堿性介質中的 HER 活性。它只需要 54 mV 的超低過電位即可提供接近商業 Pt/C 催化劑的 10 mA cm-2電流密度，并且 110 小時的長期穩定性優于 Pt/C。實驗結果和理論計算共同證實了氟化物在獨特的表面結構、堿性電解質和偏壓三個重要條件下的動態重建過程的發生。所有這些不僅加速了連續和更深重建的傳質，而且還促進了堿性 HER 的動力學過程。具有納米級結構的重構衍生的單組分氫氧化物結晶相是 HER 性能大大提高的原因。這項工作為 HER 過程中預催化劑的重建提供了非常重要的見解，并開辟了設計高效催化劑的新策略。