金属硼化物纳米串珠的制备及其析氧性能研究

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.06.004

摘要/Abstract

摘要：

析氧反应（OER）作为水分解制氢技术的核心环节，其催化效率直接影响氢能的经济转化效率。采用磁场辅助一步还原法，成功制备了非晶态金属硼化物纳米串珠催化剂，对催化剂进行了物相及电化学测试分析，并将其用于促进OER催化反应。结果表明，在所制备的多种金属硼化物中，钴铁硼（CoFeB）定向纳米串珠表现出优异的催化性能和稳定性，在10 mA/cm²电流密度下的过电位仅为330 mV，Tafel斜率为82 mV/dec；催化剂优异的电催化性能主要源于Co和Fe的协同作用，优化了活性位点的电子结构，显著提升了OER电催化效率。此外，研究磁场强度和表面活性剂质量对CoFeB样品形貌与电化学性能的调控作用，揭示了催化活性与纳米粒子定向有序排列及结构特征之间的密切关系。该研究提出的策略简便且具有可扩展性，为设计和开发高效、低成本的金属硼化物催化剂提供了新的思路。

关键词: 磁场辅助, 金属硼化物, 纳米串珠, 电催化, 析氧反应

Abstract:

The oxygen evolution reaction (OER) serves as the core step in water?splitting for hydrogen production,and its catalytic efficiency directly affects the economic conversion efficiency of hydrogen energy. In this work, a magnetic field?assisted one?step reduction method was used to successfully prepare amorphous metal boride nanobead catalysts. The phase composition and electrochemical properties of the catalysts were characterized, and the catalysts were applied to promote the OER catalytic reaction. The results show that among the various prepared metal borides, the cobalt?iron boride (CoFeB) directional nanobeads exhibited superior catalytic performance and remarkable stability, requiring an overpotential of only 330 mV at a current density of 10 mA/cm² with a Tafel slope of 82 mV/dec. The excellent electrocatalytic performance of the catalyst mainly stems from the synergistic effect of Co and Fe, which optimizes the electronic structure of active sites and significantly enhances catalytic efficiency. Furthermore, the effects of magnetic field strength and surfactant mass on the morphology and electrochemical behavior of CoFeB samples were systematically investigated, uncovering the strong correlation between catalytic activity, directional nanoparticle assembly, and structural features. The strategy proposed in this study is simple and scalable, providing a new approach for the design and development of high?efficiency and low?cost metal boride catalysts.

Key words: Magnetic field?assisted, Metal borides, Nanobeads, Electrocatalysis, Oxygen evolution reaction

中图分类号:

TQ138.1

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图/表 8

图1 CoFeB、CoB和FeB纳米串珠的XRD谱图

Fig.1 XRD spectra of CoFeB, CoB and FeB nanobeads

图2 CoB、FeB和CoFeB纳米串珠的SEM图

Fig.2 SEM images of CoB, FeB and CoFeB nanobeads

图3 CoFeB纳米串珠的TEM图（a） 20 nm （b） 5 nm

Fig.3 TEM images of CoFeB nanobead

图4 CoFeB纳米串珠及元素Co、Fe、B的EDX谱图

Fig.4 EDX spectra of CoFeB nanobead and elements Co, Fe, B

表1 CoFeB纳米串珠中不同元素的质量分数和原子个数占比

Table 1 The mass fractions and atomic percentages of different elements in CoFeB nanobeads

元素	质量分数/%	原子个数占比/%
B	56.23	87.29
Fe	15.31	4.60
Co	28.46	8.11

图5 CoB、FeB和CoFeB纳米串珠的XPS全谱和精细谱

Fig.5 XPS survey spectra and high?resolution spectra of CoB, FeB and CoFeB nanobeads

图6 CoB、FeB 和 CoFeB纳米串珠的电化学性能测试结果

Fig.6 Test results of the electrochemical properties of CoB, FeB and CoFeB nanobeads

图7 不同合成因素对CoFeB纳米串珠电催化性能的影响

Fig. 7 Effects of different synthesis factors on the electrocatalytic performance of CoFeB nanobeads

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