科学材料站
文 章 简 介
在当今全球能源转型的关键时期，电解水制氢技术因其能够将太阳能、风能等可再生能源转化为可储存的氢能，正逐渐成为应对能源危机的重要手段。然而，氧析出反应（OER）作为电解水过程中的关键步骤，由于其复杂的四电子转移过程，动力学缓慢，需要较高的过电位来驱动，严重制约了电解水制氢技术的效率提升。因此，开发高效的OER催化剂，提升其催化活性，对于提高全解水效率具有至关重要的意义。
近日，石河子大学于锋教授、王宗元副教授与扬州大学庞欢教授携手合作，取得了一项令人瞩目的科研成果。他们采用溶液等离子体法原位合成了金属Fe和非金属N共掺杂的Co(OH)₂，即Fe,N-Co(OH)x，显著提升了Co(OH)₂的OER催化活性。这一创新性的研究不仅在性能上取得了显著提升，而且在机理研究上也提供了新的视角，为未来电解水制氢技术的工业化应用奠定了坚实的基础。
研究人员通过溶液等离子体法，巧妙地将金属Fe和非金属N共掺杂到Co(OH)₂中，形成了独特的N-Co-O-Fe界面。Fe掺杂增强了催化剂的导电性，促进了电子转移能力，并加速了表面重构；而N掺杂则优化了OH的吸附能力，并降低了OO的解吸能。这种共掺杂策略不仅提升了催化剂的导电性和电子转移能力，还通过加速电子从Co原子向Fe原子的再分布，促进了活性高价Co（IV）的形成，增加了金属-O的共价性，从而优化了氧中间体的吸附和解吸过程。
实验结果表明，Fe,N-Co(OH)x催化剂表现出优异的OER性能。其质量活度达到1705 Ag⁻¹，转化频率为2.521 s⁻¹，分别比W,N-Co(OH)x高80.4倍和57倍（21.2 Ag⁻¹ 和 0.044 s⁻¹）。这一显著的性能提升，为电解水制氢技术的高效化提供了有力支持。
更为重要的是，研究人员通过实验和理论计算，揭示了N-Co-O-Fe界面调节了Fe,N-Co(OH)x中Co的d带中心，降低了OER过程限制步骤OO*解吸形成氧空位的能垒，并为活性氧空位上的晶格氧机制（LOM）提供了直接证据。这一发现不仅为设计高性能电催化剂提供了新的思路，特别是在激活晶格氧机制（LOM）方面取得了重要进展，也为未来电解水制氢技术的工业化应用提供了理论基础和技术支持。
该研究成果以“Plasma-Triggered N-Co-O-Fe Motif in Co(OH)₂ for Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution（https://doi.org/10.1039/D4EY00280F）”为题发表在国际知名期刊EES Catalysis上。论文第一作者是石河子大学化学化工学院研究生杨茜和李亚奥，通讯作者是王宗元副教授、庞欢教授和于锋教授。
图1. Fe,N-Co(OH)x的合成示意图以及形貌结构.
图2. 铁、氮共掺对结构以及电子结构的影响。
图3. 1 M KOH条件下，催化剂的OER电催化性能评估。
图4. 铁、氮共掺激活LOM 路径的证据。
图5. 铁、氮共掺杂对催化剂催化活性提升的机理探究。
添加官方微信 进群交流
SCI二氧化碳互助群
SCI催化材料交流群
SCI钠离子电池交流群
SCI离子交换膜经验交流群
SCI燃料电池交流群
SCI超级电容器交流群
SCI水系锌电池交流群
SCI水电解互助群
SCI气体扩散层经验交流群
备注【姓名-机构-研究方向】
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点分享
点赞支持
点在看