层状金属氧化物NaM1-yNyO2 (0<y<1,M,N=Fe,Co,Ni) 纳米晶的制备及性能研究

We will develop sol-gel and solid phase synthesis route, respectively, to controllable synthesis of NaM1-yNyO2 (0<y<1, M,N = Fe,Co,Ni) nanocrystals, and further characterize the structure, chemical composition, ORR and OER activity of the nanocrystals in detail. We will study on the distribution behavior of different valence metal cations in the lattice structure, and the intrinsic regularity between the ratio of metal cations, microstructure characteristics and the double effect electrocatalytic activity of oxygen electrode in nanocrystals, finally determining nanocrystals with the best reactivity of ORR and OER. We will further optimize sodium ion precipitation technology to fabricate various Na1-xM1-yNyO2 (0<x<1) nanocrystals, and characterize the chemical composition, size, morphology, specific surface area, ORR and OER activity of the crystals. We will determine the electronic band distribution of all kinds of Na1-xM1-yNyO2 nanocrystals by first principles calculation, and observe the change rule of the electronic energy band before and after the precipitation of Na ions. Combining the experiment and theory, we can reveal the mechanism of the double effect reaction of such nanocrystals, and provide theoretical support for finding new double effect oxygen electrode catalysts in the future.

本项目拟采用溶胶-凝胶法和固相合成法，控制合成NaM1-yNyO2 (0<y<1, M,N = Fe,Co,Ni) 纳米晶体，并全面表征此类纳米晶体的结构、化学组分、氧还原与氧析出反应活性。研究不同价态金属阳离子在晶格结构中的分布行为，获得纳米晶体的金属阳离子比例、微观结构特性与其氧电极双效电催化活性之间的内在规律，确定具有最佳氧还原与氧析出反应活性的纳米晶体。进一步优化钠离子析出工艺，制备多种Na1-xM1-yNyO2(0<x<1)纳米晶体，并全面表征此类材料的化学组分、尺寸、形貌、比表面积、氧还原与氧析出反应活性。通过第一性原理计算确定各种Na1-xM1-yNyO2纳米晶体的电子能带分布情况，观察Na离子析出前后该类氧化物电子能带的变化规律。将实验和理论结合，揭示此类纳米晶体的双效催化反应机理，为未来寻找新的双效氧电极催化剂提供理论支持。

考虑到过渡金属Fe、Co、Ni不同价态阳离子可作为氧还原与氧析出的催化活性中心，以及由于Na离子的析出会导致金属离子价态向更高的价态靠近，从而导致这类材料具有更高的催化活性。本项目通过采用溶胶-凝胶法和固相合成法，可控合成出NaM1-yNyO2 (0<y<1, M, N = Fe, Co, Ni) 系列纳米晶体，并全面表征了此类纳米晶体的结构、化学组分、氧还原与氧析出反应活性。通过研究不同价态金属阳离子在晶格结构中的分布行为，获得了纳米晶体的金属阳离子比例、微观结构特性与其氧电极双效电催化活性之间的内在规律，确定了具有最佳氧还原与氧析出反应活性的纳米晶体。通过进一步优化钠离子析出工艺，制备多种Na1-xM1-yNyO2(0<x<1)纳米晶体，并全面表征此类材料的化学组分、尺寸、形貌、比表面积、氧还原与氧析出反应活性。通过第一性原理计算确定了各种Na1-xM1-yNyO2纳米晶体的电子能带分布情况，观察到Na离子析出前后该类氧化物电子能带的变化规律。最终将实验和理论相结合，揭示了此类纳米晶体的双效催化反应机理，为未来寻找新的双效氧电极催化剂提供实验与理论上的支持。