Synthesis of transition metal-based nanostructures with unsaturated coordination sites and exploration of catalytic functions

具有不饱和配位位点的过渡金属纳米结构的合成及催化功能探索

• 批准号: 22K18956
• 负责人: 馬 仁志
• 金额: $ 4.08万
• 依托单位: National Institute for Materials Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-06-30 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K18956/
• 关键词: ナノシート; 遷移金属; 水酸化物; 電極触媒; 配位不飽和; ナノ構造

鉄系層状複水酸化物（LDH）、すなわちGreen Rustのトポケミカル合成を行った。まず、雰囲気保護下で均一沈澱法により高結晶性ブルーサイト型Fe(OH)2を得た。ヨウ素を酸化剤としてFe(OH)2中の一部のFe2+を酸化させることによって、ヨウ素イオンがインターカレートするFe2+－Fe3+ LDHを変換させることに成功した。層間のヨウ素イオンをドデシル硫酸イオンに交換した後、ホルムアミドの中で剥離することで厚さ約0.8 nmの単層Fe2+-Fe3+ LDHナノシートを創製した。同じ均一沈澱プロセスの中で、Fe(OH)2にNiのドーピングを試み、Feに対してNiの含有量は最大25%までブルーサイト構造が保持されることが分かった。トポケミカル変換によりNi含有Fe系（Fe2+-(Ni2+)-Fe3+）LDHナノシートを調製した。得られた一連のNi含有Fe系LDHナノシートの酸素発生反応（OER）触媒性能を評価したところ、Ni含有量は約15%の時、1M KOH水溶液の中で290 mV@10mA cm-2という小さな過電圧を達成した。これは、報告された最も触媒活性高いNi2+-Fe3+ LDH触媒と同等な高性能である。また、6配位（Oh）と4配位（Td）共存するCo2+-Ni2+-Fe2+水酸化物ナノコーンの合成に試みた。ヨウ素酸化により原子価2価と3価が混在するCo2+-Ni2+-Fe3+ LDHナノコーンに変換させることにより、OER触媒性能が大幅に増強されることが分かった。中心金属イオンの酸化状態と配位環境の高度制御は高性能ナノ触媒の開発にとって重要な戦略の一つとして確立されつつある。

Ferrous layered complex hydrate (LDH), Green Rust and its synthesis High crystalline Fe(OH)2 was obtained by homogeneous precipitation method under the protection of hydrogen and nitrogen. The Fe2 +-Fe3 + LDH transition was successful. A single Fe2 +-Fe3 + LDH layer with a thickness of about 0.8 nm was created after the interlayer transition. In the same way, the homogeneous precipitation of Ni in Fe(OH)2 is tested, and the content of Ni in Fe(OH) 2 is up to 25%. Ni contains Fe (Fe2 +-(Ni2 +)-Fe3 +) LDH. When Ni content is about 15%, 1M KOH aqueous solution can reach 290 mV@10mA cm-2. Ni2 +-Fe3 + LDH catalyst with high catalytic activity is reported. Co2+-Ni2 +-Fe2 + Acid Complex with 6-coordination (Oh) and 4-coordination (Td) Blue Shift Co2+-Ni2 +-Fe3 + LDH is a new type of OER catalyst. The acid state of the central metal and the high degree of control of the coordination environment are important for the development of the catalyst.

项目成果

Transition metal hydroxide nanosheets and heterostructures for efficient electrocatalysis

用于高效电催化的过渡金属氢氧化物纳米片和异质结构

• 发表时间: 2022
• 作者: ISHII;Satoshi;Renzhi Ma
• 通讯作者: Renzhi Ma

Superlattice-Like Co-Doped Mn Oxide and NiFe Hydroxide Nanosheets toward an Energetic Oxygen Evolution Reaction

超晶格共掺杂氧化锰和氢氧化镍铁纳米片用于高能析氧反应

• DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c00773
• 发表时间: 2022-04
• 期刊: ACS Sustainable Chemistry & Engineering
• 影响因子: 8.4
• 作者: Ying Zhang;Xia Long;Xiaohe Liu;Gen Chen;Junhua Hu;Mimi Li;Renzhi Ma;Hao Wan
• 通讯作者: Hao Wan

Monolayer Iron and Iron-Rich Hydroxide Nanosheets Exfoliated from High-Quality Green Rust for Enhanced Electrocatalytic Oxygen Evolution Reaction

• DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c03639
• 发表时间: 2023-02
• 期刊: Chemistry of Materials
• 影响因子: 8.6
• 作者: Lulu Jia;Fang Xian;Y. Sugahara;Nobuyuki Sakai;Emmanuel Picheau;Hairong Xue;Y. Yamauchi;T. Sasaki;R. Ma

Boosting electrocatalytic water oxidation of NiFe layered double hydroxide via the synergy of 3d-4f electron interaction and citrate intercalation

通过3d-4f电子相互作用和柠檬酸盐插层的协同作用促进NiFe层状双氢氧化物的电催化水氧化

• DOI: 10.1039/d2ta06801j
• 发表时间: 2022-12-13
• 期刊: JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A
• 影响因子: 11.9
• 作者: Chen, Shuo;Zheng, Zhicheng;Ma, Renzhi
• 通讯作者: Ma, Renzhi

Transition-metal hydroxide nanosheets with peculiar double-layer structures as efficient electrocatalysts

• DOI: 10.1016/j.checat.2022.02.015
• 发表时间: 2022-04-21
• 期刊: CHEM CATALYSIS
• 作者: Chen, Fashen;Zhou, Wei;Ma, Renzhi
• 通讯作者: Ma, Renzhi