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过渡金属氧化物与碳基纳米材料(如尖晶石NiFe2O4和2D氧化石墨烯)的结合催化析氧反应是最近发表在《天津大学学报》上的一项研究课题。
将可持续能源转化为氢形式的生物化学燃料的最重要的过程之一是电催化析氧反应(OER)。然而，开发合适、低成本、高效、高寿命的OER电催化剂仍然是一个重大问题。
过渡金属与活性炭纳米材料(如NiFe2O4和氧化石墨烯)的融合是一种很有前途的发展先进催化剂的方法。NiFe2O4与2D氧化石墨烯的强大性能是由于其独特的形状，更高的暴露活性区域，以及具有较大表面积的高孔隙率。
电化学水分解反应
世界能源消耗正在迅速增长，化石燃料供应无法满足预测的未来需求。此外，化石燃料的广泛使用对生态系统和生物体的健康有有害影响。
由于这些问题，全球已经开展了大量工作，以开发清洁、易于生产和低成本的可再生能源技术。其中最有趣的发电过程之一是电化学水分解过程，它由两个半反应组成:阴极上的析氢反应(HER)和阳极上的析氧反应(OER)。这种方法有几个优点，包括高效率、低毒性和生态友好性。
（Schematic of the synthesis process of NFO/rGO, NFO/SWCNT, and NFO/MWCNT. © Shinde, P. V. et al. (2021)）
析氧反应(OER)的电催化
虽然水电解是一种很有前途的清洁能源的产生和转化方法，但它的缺点是OER的反应速度慢，需要一个大于热水氧化电位来完成氧的释放。因此，生产性能优良的电催化剂十分重要。
直到最近，最先进的催化剂都是用有价值的钌和铱材料生产的。然而，由于它们的高成本和在地球上的稀缺性，它们的广泛使用受到了严重的阻碍。此外，对于潜在的实现来说，它们的稳定性是一个显著的缺点。
已经开展了大量的科学工作，以开发耐用的OER催化剂，这种催化剂价格低廉，在地球上储量丰富，并且能够满足水分解过程的电解标准。
（Low- and high-resolution FESEM images of a, b NFO/SWCNT, c, d NFO/MWCNT, and e, f NFO/rGO. © Shinde, P. V. et al. (2021)）
过渡金属氧化物具有成本低廉、供应充足、无毒等优点，是一种很有前途的OER工艺材料。它们还具有有趣的电解和化学性能。最近，过渡金属基尖晶石型氧化物，如NiFe2O4，已经成为超导体、电池组和传感器系统中使用的高效电极材料。
除了价格便宜之外，碳纳米材料还具有耐用性、可生物降解性、环境友好性和储量丰富等特点。石墨烯作为一种孤立的石墨薄片，由于其独特的机械、生物化学、电学和电荷转移特性而被广泛应用。除了不使用稀土金属的成本优势外，采用碳纳米材料(如氧化石墨烯和碳纳米管)在OER应用中的另一个显著优势是其组成的灵活性。它们可以作为多种材料的支撑，从而提高了材料的电导率。
在本研究中，研究了由过渡金属氧化物(NiFe2O4)和碳基纳米材料(2D氧化石墨烯和1D CNTs)制成的杂化材料，作为电解OER应用的潜在优势策略。
活性炭纳米材料的电导率及其与金属位点的组合影响被认为是提高氧析出反应缓慢动力学速率的原因。
（a Comparison of the OER performance of the synthesized catalyst, b schematic of the mechanism of the OER on the catalyst surface.© Shinde, P. V. et al. (2021)）
研究发现
2D氧化石墨烯表面具有丰富的OER反应位点，其催化性能远远优于1D CNT表面。当电流密度为10 mA/cm2, Tafel梯度为103 mV/dec时，NiFe2O4与二维氧化石墨烯杂化物具有良好的稳定性和电解性能。这是因为它独特的形状，更容易接触的反应种类，高孔隙率的表面与大的接触面积。
总之，本研究通过尖晶石NiFe2O4杂化物研究了氧化石墨烯和碳纳米管对OER性能的影响。这种金属氧化物与活性炭的杂化为开发一种有效的水裂解反应电催化剂提供了有趣的基础。
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