青岛科技大学化学与分子工程学院（一种简单）

青岛科技大学王磊/赖建平课题组JMCA：一种简单、快速和可规模化的方法用于超小尺寸过渡金属硒化物合成

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第一作者：石月，张丹

通讯作者：王磊，赖建平

通讯单位：青岛科技大学

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由于低廉的成本和丰富的储量，过渡金属基纳米材料在高效能源存储和转换等领域得到了广泛的应用。但目前报道的过渡金属纳米材料制备方法普遍存在耗时长，步骤复杂，产量低，设备要求高的缺点，不利于规模化生产和应用。近日，青岛科技大学王磊教授&赖建平教授课题组首次报道了一种简单、快速、可规模化的微波方法，并成功合成了一系列负载在碳纳米管(CNT)表面的超小尺寸过渡金属硒化纳米颗粒(直径约5 nm)。整个微波反应过程只需要120秒的时间，同时能够达到克级生产。经过比例和成分优化的Ni0.27Co0.28Fe0.30Se@CNT具有优异的析氧（OER）活性，仅需要291 mV的过电位即可实现 100 mA cm-2的电流密度（比商业RuO2小48 mV)，同时在反应过程中展现出了50小时的良好的稳定性。研究发现，纳米粒子与碳纳米管之间的相互作用和Ni、Co、Fe原子对Ni0.27Co0.28Fe0.30Se@CNT电子结构的调节共同促进了其OER性能提升。更重要的是，该方法有望拓展到其他超小尺寸过渡金属化合物的合成。

背景介绍

过渡金属元素具有富电子的3d轨道，能够灵活地调节价态，有利于优化催化剂的电子结构和和催化剂对反应中间体的吸附能。因此，过渡金属基纳米材料被认为是一种非常具有潜力的催化剂。近年来，过渡金属基化合物如氧化物、氢氧化物、硫化物、磷化物和硒化物等得到了研究者们的广泛的关注和探索。其中，过渡金属硒化物具有非常优异的OER活性，这是由于过渡金属原子对含氧中间体具有适宜的亲和力，同时硒原子能够促进电荷快速转移。但令人遗憾的是，目前报道的过渡金属化合物的合成方法普遍具有耗时长、步骤复杂、产量低、对设备要求高的缺点，这极大地限制了催化剂的规模化生产和应用。并且，大多数过渡金属纳米材料具有较大的尺寸和相对单一的组成，不利于催化剂活性位点的暴露以及催化剂结构的优化。因此，开发一种简单、快速、可规模化的方法来制备超小尺寸过渡金属基纳米材料是非常必要的。

图文解析

图1. Ni0.27Co0.28Fe0.30Se@CNT的合成示意图。

图2. Ni0.27Co0.28Fe0.30Se@CNT的物理表征。(a)XRD图谱。(b)SEM图像。(c)TEM图像（插图是纳米颗粒的尺寸分布图）。(d)HRTEM图像(插图是晶面间距分析图）。(e)EDS元素线扫描曲线图。（f）STEM-EDX图像(插图为Ni0.27Co0.28Fe0.30Se@CNT的原子比例图)。（g）HAADF-STEM图和相应的mapping图。

图3. Ni0.85Se@CNT, Ni0.41Fe0.44Se@CNT, Co0.42Fe0.43Se@CNT和Ni0.27Co0.28Fe0.30Se@CNT的高分辨XPS谱。（a）Se 3d XPS光谱图。（b）Co 2p XPS光谱图。（c）Ni 2p XPS光谱图。（d）Fe 2p XPS光谱图。

图4. 不同催化剂在1.0 M KOH溶液中的电催化OER性能研究。（a）OER极化曲线。（b）电流密度为100 mA cm-2和500 mA cm-2时的过电位对比图。（c）Tafel斜率。（d）阻抗对比图。（e）Cdl对比图。（f）Ni0.27Co0.28Fe0.30Se@CNT与其他报道的催化剂的OER活性对比图。（g）多圈CV循环前后，Ni0.27Co0.28Fe0.30Se@CNT的OER极化曲线。（h）Ni0.27Co0.28Fe0.30Se@CNT的计时电流和计时电压曲线。

图5. Ni0.27Co0.28Fe0.30Se@CNT经过稳定性测试之后的物理表征。(a)TEM图像。(b)HRTEM图像(插图为晶格间距分析)。稳定性测试前后，Ni0.27Co0.28Fe0.30Se@CNT的（c）Se 3d XPS图谱和（d）O 1s XPS图谱。经过稳定性测试之后的Ni0.27Co0.28Fe0.30Se@CNT的（e）Co 2p XPS图谱和（f）Ni 2p XPS图谱。

总结与展望

综上所述，本文首次报道了一种快速、简单和可规模化的微波方法来制备超小尺寸(~5 nm)的过渡金属基硒化物。并且微波合成的Ni0.27Co0.28Fe0.30Se@CNT具有优于商业RuO2和大多数的过渡金属催化剂的OER活性。此外，该工作为超小尺寸过渡金属基硒化物的简单、快速和可规模化的制备提供了新的方法指导，同时也拓宽了超小尺寸过渡金属化合物的合成途径。

文献来源

A Simple, Rapid and Scalable Synthesis Approach for Ultra-Small Size Transition Metal Selenides with Efficient Water Oxidation Performance

https://doi.org/10.1039/D1TA07644B

通讯作者简介

赖建平教授，2019年以高层次引进到青岛科技大学化学与分子工程学院，教授，博导，泰山学者青年专家，山东省优秀青年基金获得者。近五年发表SCI论文70余篇，其中以通讯作者和第一作者身份在 Nat. Commun.（2）、Chem、 Joule、 ACS Cent. Sci.、Energy Environ. Sci.（2）、 Adv. Mater.、 Adv. Energy Mater. （2）、Adv. Funct. Mater. （3）、Nano Today、 Nano Lett.、Cell Reports Phys. Sci.、 Electrochem. Energy Rev.、Appl. Catal. B: Environ.（3）、 Small（3）、 J. Mater. Chem. A（8）等国际著名期刊上发表SCI论文三十余篇。授权国内发明专利两项。主持科研项目包括山东省泰山学者人才工程计划项目、山东省优秀青年基金、国家青年基金等项目。

王磊教授，山东省杰青，泰山学者青年专家，青岛科技大学崂山学者，博士生导师。2006年博士毕业于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室，同年到青岛科技大学工作至今。长期从事绿色能源相关领域研究，包括能源储存与转换材料、光电催化、超分子化学、金属-有机配位聚合物、有机-无机杂化材料等，先后合成出来首例微孔亚磷酸铍和首例具有三棱镜结构的高稳定金属有机钠盐。已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Enery Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Nano Energy, ACS Cent. Sci，Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A., Science. China. Chem.、中国科学、科学通报等国内外重要学术期刊上发表SCI论文二百余篇, 其中通讯作者影响因子大于10.0的论文四十余篇。主持国家级和省部级项目十余项，获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学技术奖共六项。