Wang, Y., Yu, J., Wang, Y., Chen, Z., Dong, L., Cai, R., Hong, M., Long, X., et Yang, S. (2020). Synthèse in situ de modèles d’électrocatalyseur mésoporeux Ni-Fe pour la réaction d’évolution de l’oxygène. RSC Advances, 10(39), 23321 à 23330. https://doi.org/10.1039/d0ra03111a
À l’appui du développement d’électrocatalyseurs, ReactRaman fournit des informations détaillées sur les liaisons à l’intérieur et à la surface de l’électrocatalyseur mésoporeux Ni-Fe.
Les auteurs commentent l’importance de développer des électrocatalyseurs pour une utilisation dans les réactions d’évolution de l’oxygène (OER). Ces électrocatalyseurs doivent avoir des caractéristiques d’efficacité clés spécifiques, telles que des sites actifs uniformément répartis et facilement disponibles sur toute la surface du catalyseur, tout en étant rentables et durables. Pour atteindre ces objectifs, ils ont recherché et développé une méthode pour préparer un cadre de silice fumée mésoporeuse (MFS) qui disperse Ni²⁺ et Fe³⁺ en utilisant une approche simple. Cette méthode utilise la MFS disponible dans le commerce comme support 3D pour fixer les ions métalliques. En gravant la structure imprégnée de métal MFS avec du KOH, l’électrocatalyseur Ni-Fe-O formé présente des caractéristiques clés pour l’OER, telles qu’une bonne capacité de transfert de charge, une grande surface active électrochimique et une excellente stabilité globale.
Une série de catalyseurs NiFe-MFS a été synthétisée avec différents rapports molaires de solutions aqueuses métal-ion. Une série de techniques ont été utilisées pour développer une compréhension détaillée de la microstructure de ces électrocatalyseurs. Cela comprenait la microscopie électronique à transmission pour étudier la nanostructure, les rayons X à dispersion d’énergie pour cartographier la distribution des éléments Ni, Fe, Si et O, et la diffraction des rayons X pour analyser la cristallinité des échantillons. La morphologie a été étudiée par microscopie électronique à balayage par émission ; La spectroscopie photoélectronique à rayons X a analysé l’énergie de liaison des éléments, et l’analyse élémentaire a été effectuée à l’aide d’un spectromètre à émission atomique plasma à couplage inductif. La surface et la porosité de la structure ont été étudiées à l’aide de mesures d’adsorption-désorption d’azote gazeux.
La liaison des métaux Ni/Fe au support de silice pyrogénée a été analysée et vérifiée par spectroscopie ReactRaman. Pour les MFS non dopées, des bandes de 345–450, 575, 750, 973 et 1070 cm⁻¹ sont observées, résultant d’une série de liaisons vibratoires Si−O−Si et Si−OH. Pour les échantillons imprégnés d’une teneur élevée en fer, des bandes à 332, 495 et 1163 cm⁻¹ sont observées résultant respectivement de la flexion O-Fe-O, de la flexion Fe-O-Si et de l’étirement asymétrique Fe-O-Si. Ces observations ont indiqué que le fer était effectivement incorporé dans le réseau de silice. En revanche, lorsque le nickel a été imprégné dans la silice fumée, la bande d’étirement Si−OH de surface de 973 cm⁻¹ a été considérablement affaiblie et aucune bande supplémentaire n’a été observée. L’évaluation des mesures photoélectroniques à rayons X et Raman a conduit à la conclusion que, alors que le Fe³⁺ préfère s’insérer dans le cadre de la silice fumée et forme une liaison Fe-O-Si, le Ni²⁺ se lie de manière covalente avec les groupes Si−OH à la surface de la silice fumée.
Une série d’études d’électroanalyse a montré l’importance du rapport entre les ions métalliques et la performance et que les liaisons Ni et Fe à une teneur optimale conduisaient à une efficacité OER optimale et à une cinétique de réaction améliorée. L’échantillon 1Ni1Fe-MFS a démontré l’activité intrinsèque OER la plus élevée, tandis que le catalyseur 2Ni1Fe-MFS avait la plus grande capacité à double couche et la surface électrochimiquement active la plus grande. Une série d’études spectroscopiques a été menée pour déterminer les changements dans le catalyseur après l’OER. Ils ont montré qu’en présence du KOH, le Si était gravé, exposant les éléments Ni et Fe, qui étaient les centres actifs de l’OER. D’autres travaux ont montré que même après un fonctionnement électrique à long terme, le catalyseur 2Ni1Fe-MFS reste à la fois très efficace et stable pendant le processus OER, en comparaison avec les électrodes IrO₂ et RuO₂.
