NiFe基材料因其成本低、储量高、电催化性能好而成为贵金属基催化剂在析氧反应(OER)中的替代材料。无载体的NiFe粒子在苛刻的电解质条件下容易发生化学腐蚀与严重的聚集而导致其催化活性和稳定性下降。原子掺杂的碳载体和碳包覆被认为是提高催化剂活性和稳定性的有效策略。目前通过一种简单有效的方法控制碳载体的分层多孔结构和活性物种表面碳包覆的厚度仍然是一个极大挑战。在本工作中，作者提出了一种有机金属配位聚合物OCP诱导策略来构建负载NiFe纳米颗粒的层状氮掺杂碳骨架(NixFe@N-C)，并作为一种高活性和稳定性的OER催化剂。其中，OCP前驱体的合成依赖于亚氨基二乙腈(IDAN)独特的分子结构，IDAN可与金属离子配位形成具有普鲁士蓝类似物(PBA)结构的Ni2Fe(CN)6。与传统的PBA合成方法不同，本研究通过调节IDAN的用量，可以很好地控制热解过程中包覆金属表面的碳层厚度，为研究碳层厚度与催化性能之间的关系搭建了良好的桥梁。要点一：简易并同步实现掺杂和结构调控，构建负载NiFe粒子的层状氮掺杂的碳框架本文提出了一种以亚氨基二乙腈(IDAN)为有机配体制备Ni2Fe(CN)6 PBA的新方法。IDAN中的氰基作为强场配体容易与金属离子形成平面结构，形成层级化片状结构。通过对多级片状结构的Ni2Fe(CN)6 PBA直接热解，获得了锚定Ni3Fe纳米颗粒的层状氮掺杂碳框架催化剂(NixFe@N-C)，且粒子表面碳层厚度可控。层状多孔的碳框架结构提供了高的活性面积与丰富的活催化性位点，活性粒子表面的碳层有利于防止颗粒团聚和控制颗粒尺寸，从而有利于提升催化剂的活性和稳定性。要点二：通过调节亚氨基二乙腈(IDAN)用量易于Ni3Fe纳米粒子表面碳层厚度控制实验结果表明，IDAN的含量对催化剂的碳层结构，纳米粒子尺寸和表面的碳层厚度有重要的影响。随着IDAN的增加，Ni3Fe纳米粒子尺寸越小，碳层厚度越厚。由于碳层的电子结构可以被封装的金属粒子更好地调节，因此合适的碳层厚度可以有效的改善催化剂的活性；活性碳层也可有效优化反应中间体在碳表面的吸附强度，降低过电位，提高催化活性。▲图2. 不同含量IDAN条件下获得的Ni3Fe纳米粒子
要点三：通过实验和理论结合，阐明了OER的改善机理。实验结合DFT理论研究证实，合适的碳层厚度会导致最佳的OER活性和稳定性。通过优化结构和组成，优化后的Ni3Fe@N-C催化剂具有较低的过电位(在10 mA cm−2下为260 mV；在50 mA cm−2下为320 mV)和优异的长期稳定性。▲图3. 表面碳层可控的Ni3Fe@N-C催化剂的OER性能及机理研究
作者报道了一种有效且非传统的PBA介导策略来制备三维层状纳米结构。该结构由氮掺杂层状碳纳米片和原位锚定的Ni3Fe纳米粒子(Ni3Fe@N-C)组成，且纳米粒子表面具有超薄碳层。通过控制IDAN用量、热解温度和Ni/Fe投料比等因素，获得的最优的Ni3Fe@N-C催化剂，在催化OER过程中展现了良好的反应动力学、导电性以及可靠的稳定性。在电流密度为10和50 mA cm−2的条件下，优化后的Ni3Fe@N-C催化剂的过电位分别为260和320 mV。这项工作不仅突出了层状Ni3Fe@N-C作为OER催化剂的优点，且在一定程度上为开发具有可控碳层的电催化剂提供了新的设计策略。博士毕业于南京师范大学，现为南京师范大学化学与材料科学学院教授，入选江苏省特聘教授。2017-2020年先后在新加坡南洋理工大学、美国得克萨斯大学奥斯汀分校从事博士后研究工作。2021年加入南京师范大学化学与材料科学学院。主要研究领域为电化学能源储存与转换中关键材料的设计、性能优化以及机理研究。截至目前，以通讯/第一作者在Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Nano Energy, Chem. Sci., Energy Storage Mater., Appl. Catal. B Environ., Small等国际权威学术期刊发表SCI论文70余篇，其中17篇入选1% ESI高被引论文，被引6500余次，h指数48。授权国家发明专利6项。受邀担任Advanced Powder Materials期刊青年编委、Materials Today Energy编委(ECR)、《粉末冶金材料科学与工程》期刊青年编委、Catalysts期刊编委，以及ChemElectroChem, Frontiers in Chemistry, Nanomaterials等期刊客座编辑。博士毕业于南京理工大学，现为南京师范大学化学与材料科学学院院长，教授，博士生导师，江苏省化学化工学会理事、江苏省电化学专业委员会主任、江苏省教育学会化学教学会理事长。主要研究方向为电化学及能源材料。发表SCI论文200余篇，他引8000余次，H因子为51，申报和授权国家发明专利36件，主持国家863项目和国家自然科学基金项目等8项，获江苏省教学成果二等奖两项，省科学技术奖两项。Zhijuan Li, Xiaodong Wu, Xian Jiang, Binbin Shen, Zhishun Teng, Dongmei Sun, Gengtao Fu, Yawen Tang. Surface carbon layer controllable Ni3Fe particles confined in hierarchical N-doped carbon framework boosting oxygen evolution reaction, Advanced Powder Materials, Doi：10.1016/j.apmate.2021.11.007https://pan.baidu.com/s/1yaF9MP73aHzn4NOFsfinCA
