湖南师范大学苏徽教授团队， CEJ观点：氧阴离子工程抑制活性位点偏析，实现持久的电催化水氧化

第一作者：陈祎雯

通讯作者：苏徽*，刘美欢*

单位：湖南师范大学，中南大学

层状双氢氧化物 （LDH） 由于其可调的中间层结构和活性，已成为析氧反应 （OER） 的有前途的催化剂。然而，由于不希望的有源位点偏析，在大电流下的持久稳定性仍然是一个巨大的挑战。在本文中，我们开发了一种用于碱性 OER 的预电催化剂，这是一种亚硝酸盐离子 （NO₂⁻） 掺杂策略，用于合成钴铁 （CoFe） 羟基氢氧化物 （CoFe-LDH-NO₂⁻） 使用原位生长和电沉积技术，成功抑制 Fe 偏析，从而提高 OER 在大电流下的稳定性。总体而言，本研究结果强调了 CoFe-LDH-NO₂⁻ 作为一种稳定且具有成本效益的 OER 电催化剂的前景。此外，这项工作为开发活性和稳定的 OER 电催化剂的催化机制提供了阴离子稳定工程和基本见解。

近日，来自湖南师范大学的苏徽教授课题组，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Oxygen anion engineering suppressed active sites segregation for long-lasting electrocatalytic water oxidation”的观点文章。该观点文章分析了现在常见析氢反应催化剂的高过电位和大电流下不稳定的原因，同时使用原位生长和电沉积技术，开发了一种稳定且具有成本效益的 OER 电催化剂。

氢能因其在大规模储能、清洁燃烧和可再生能源方面的潜力而成为绿色能源领域的领先竞争者。电化学碱性水电解是大规模生产超纯氢的最有前途的方法之一。近年来，LDHs因其超薄的层状结构、可调谐的宿主层和中间层以及优异的电催化活性而成为一种很有前途的OER催化剂。然而，由于活性金属的偏析，LDH 的稳定性在大电流条件下和长时间运行时可能会变差。例如，由于铁偏析，典型的 NiFe-LDH 材料在高电流密度下经常面临性能下降。因此，迫切需要设计新型 LDH 材料，以抑制高电流密度作期间的金属偏析。为了解决上述问题，一种亚硝酸盐离子 （NO₂⁻） 掺杂策略，使用原位生长和电沉积技术，成功抑制 Fe 偏析，从而提高 OER 在大电流下的稳定性。

碱性水电解的效率受到阳极处缓慢的四电子-质子耦合的显著限制，因此其在一定电流密度下需要很大的过电势，CoFe-LDH-NO₂⁻  提供 186 mV 和 233 mV 的最低过电位，最高可达 10 和 100 mA cm^-2。CoFe-LDH-NO₂⁻ 表现出显著的运行稳定性，在连续 100 小时的 OER 中保持约 250 mA cm^-2 的电流密度。

含氧中间体OOH* 的快速质子化为动力学快速 OER 过程的关键。原位光谱证明了表明抑制CoFe-LDH-NO₂⁻中的铁膨胀增强了活性中心对羟基（OH）的吸附，促进了*OOH中间体的形成。因此，CoFe-LDH-NO₂⁻ 表现出更快的四电子 OER 动力学过程和增强的催化性能。