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西湖大学陆启阳团队 ACS Nano:在电化学调控氧化物纳米颗粒溶出领域取得新进展

时间:2023-07-11 来源: 浏览:

西湖大学陆启阳团队 ACS Nano:在电化学调控氧化物纳米颗粒溶出领域取得新进展

西湖大学工学院 化学与材料科学
化学与材料科学

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通过对金属氧化物陶瓷或者薄膜过渡金属溶出的调控,增强材料的(电)化学催化活性,是近年来固体氧化物电池领域的研究热点之一。例如,通过电化学方法可以有效增加溶出的金属纳米颗粒的空间密度,其潜在的应用范围涵盖热催化、光催化和燃料电池等多个不同领域。但是,对电化学如何增强金属纳米粒子的溶出,以及电化学驱动力和溶出的纳米颗粒空间密度、颗粒尺寸等的认识还不完全。

为了更好地理解电化学方法促进金属氧化物的金属纳米颗粒溶出过程, 西湖大学工学院陆启阳团队 制备了一种 特殊的电化学器件实现了在一个器件获得空间上线性分布的外加电势 ;并利用这一特性,在一个器件中研究了电化学驱动力、氧化物表面的缺陷结构以及溶出的各项特性参数,包括纳米颗粒空间密度和颗粒尺寸之间的关系。课题组研究发现, 增加外加负电势可以线性增加金属纳米颗粒的空间密度,但平均颗粒尺寸几乎不随外加电势变化 。该成果以“Quantifying Electrochemical Driving Force for Exsolution in Perovskite Oxides by Designing Graded Oxygen Chemical Potential”为题发表于国际期刊 ACS Nano ,第一作者为西湖大学工学院助理研究员 陆颖 博士,通讯作者为西湖大学助理教授 陆启阳 博士。该工作的合作者有中科院上海硅酸盐研究所 鲍伟超 博士。
利用特殊的电化学器件(图1a),课题组通过在模型体系氧化物 (LCTN)电极的两端施加电势差,引入空间分布的外加电势,通过测量LCTN电极上下表面/界面多点电势,确定了外加电势在电极x方向上的线性分布(图1b)。课题组 首次通过实验证实了这种特殊结构可以引入线性分布的外加电势

图1  (a) 引入空间分布外加电势的电化学器件结构示意图。(b) LCTN电极上的外加电势空间分布图。(c) 空间分布的外加电势梯度驱动LCTN中金属Ni的溶出示意图。

当在样品中引入空间线性分布的外加电势时,便可以梯度改变氧化物的氧化学势,从而梯度驱动LCTN中Ni的溶出。结合微观形貌表征技术(如扫描电子显微镜)与深度学习网络,研究团队表征了溶出后氧化物表面的微观形貌;并经过分析和统计,精准构筑了电化学驱动力和溶出特性之间的定量关系。同时,为了更好地理解电化学促进氧化物溶出的过程,他们通过蒙特卡洛法模拟了不同表面氧空位浓度下氧化物的表面缺陷结构。结合模拟结果和前述实验结果,研究团队发现,溶出的金属纳米颗粒更倾向于在氧空位对(两个相邻的氧空位)或/和氧空位簇(多余两个相邻的氧空位)处形核。同时还发现,随着外加负电势的增大,表面缺陷浓度也呈线性增多。

图2  (a) 溶出的纳米颗粒空间密度与电化学驱动力呈正比。(i) 表面氧空位对空间密度和表面氧空位浓度和电化学驱动力之间的关系。灰色、橙色点虚线及紫色点线仅用作视觉引导。

为进一步证实通过电化学手段调控金属氧化物的溶出从而调控材料的电化学催化活性的有效性,研究团队通过测试对称电池LCTN|YSZ|LCTN在不同溶出状态下的电化学交流阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectra, EIS),发现 电化学促进溶出可以有效提升材料的电化学性能,且随着电化学驱动力的增加,LCTN电极的极化阻抗还可以进一步降低

图3  不同溶出状态下对称电池LCTN|YSZ|LCTN在700℃时的电化学交流阻抗谱。

在此项工作中,研究团队系统地研究了电化学驱动力对于氧化物溶出的特性参数以及氧化物的表面缺陷结构之间的关系。该工作 进一步为研究以电化学方法调控金属氧化物溶出并由此调控材料的电化学性能 打下了坚实的基础。

作者简介

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本文第一作者

陆颖博士

陆颖,本科和硕士毕业于华南理工大学,2018年6月毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所并获得材料物理与化学博士学位,随后以博士后身份加入深圳大学材料学院,展开固体氧化物燃料电池方面的研究,之后于2020年12月以博士后身份加入西湖大学工学院固态离子学实验室,在2022年底转为助理研究员。陆颖博士目前的研究方向是氧化物的溶出行为在固体氧化物燃料电池中的应用。

课题组负责人

陆启阳博士

陆启阳博士本科毕业于清华大学材料系,随后在美国麻省理工学院(MIT)攻读博士学位,师从Bilge Yildiz教授(现任国际固态离子学会主席),回国之前在斯坦福大学和劳伦斯伯克利国家实验室先进光源进行博士后研究。曾获得麻省理工学院年度最佳博士生论文奖,美国材料研究学会研究生金奖, 美国陶瓷学会Ross Coffin Purdy奖等荣誉。于2020年9月全职加入西湖大学工学院,作为独立PI开展固态离子学方面的研究工作。目前已在包括Nature Materials(两篇)等一流期刊上发表了多篇论文,并入选了国家高层次人才计划项目。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c04008

固态离子学课题组

西湖大学工学院固态离子学实验室(陆启阳课题组)主要致力于固态离子学、表界面科学与固态电化学的交叉领域研究。课题组科研氛围浓厚,科研经费充足,师生交流密切,课题组目前已经与麻省理工学院,荷兰特温特大学,维也纳工业大学等国际一流大学和科研机构建立了长期合作关系,支持在读博士生在适当时机出国访学。欢迎具有材料科学、凝聚态物理、电化学等相关专业背景的研究者加入我们,一同促进科学研究的交叉融合,碰撞出新的思维火花!

课题组的网站(https://www.ssi-westlake.com),如果有兴趣加入课题组,请直接与陆启阳博士联系(luqiyang@westlake.edu.cn),并附上您的简历,已发表及在准备的论文列表,以及一个简短的个人介绍和研究兴趣。

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