中非四校Small：异质结构调控Co3N表面重构，显著提升析氧反应性能

第一作者：曾叶，郑加贤

通讯作者：姚芬，吴启辉，Peter R. Makgwane，梁汉锋

单位：集美大学，厦门大学，吉林师范大学，南非大学

析氧反应是电解水制氢过程中的关键电极反应，但其缓慢的动力学一直是长期以来的挑战。在电催化过程中，大部分析氧催化剂（也称“预催化剂”）经历表面重构产生新的物种作为实际反应位点。如何对这类预催化剂的表面重构过程进行调控以产生高活性物种是析氧性能提升的关键。

近日，中非四校联合合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Surface Reconstruction Regulation of Co₃N through Heterostructure Engineering toward Efficient Oxygen Evolution Reaction”的研究论文。该研究以电催化剂Co₃N 为研究对象，利用磁控溅射技术构建 MnCo-CH（锰钴碳酸盐氢氧化物）@Co₃N核壳异质结构，通过几何效应和电子效应促进Co₃N的表面重构，形成丰富的Mn掺杂CoOOH活性表面层，实现析氧性能的全面提升。这一发现证明不同成分之间在异质界面上的相互作用可以促进表面重构，为析氧催化剂表面重构的调控提供了理论指导，具有广阔的应用前景。

在本文中，利用磁控溅射技术，在MnCo-CH （锰钴碳酸盐氢氧化物）纳米阵列上形成异质核壳结构。如图1所示，SEM图像显示MnCo-CH可以作为纳米骨架扩大Co₃N的比表面积，暴露更多的金属位点，同时TEM图像显示了清晰的异质界面。此外，与纯Co₃N相比，异质结构表面的Co₃N的XPS和Raman光谱出现明显的偏移，证明MnCo-CH 和 Co₃N之间存在强烈的电子相互作用。

如图2所示，通过电化学CV与LSV测试和SEM准原位表征，发现MnCo-CH@Co₃N表面可以经历更快的重构过程，生成大量的纳米片，从而引起OER活性的明显增强。相较之下，Co₃N薄膜的表面重构过程过于缓慢。如图3所示，一系列准原位XPS和原位Raman光谱表明，MnCo-CH@Co₃N可以在快速的表面重构过程中生成大量的CoOOH物种，同时伴随着Mn向表面的迁移形成表面掺杂。

为证明表面重构对OER性能的提升作用，本文进行了一系列OER电催化测试。如图5所示，相较MnCo-CH与Co₃N，表面重构后的MnCo-CH@Co₃N可以表现出更低的过电位（257 mV@10 mA cm^-2）、更小的电荷传递阻抗和更快的反应动力学，同时也具有优异的恒电流稳定性。DFT计算结果表明，重构过程向表面迁移的Mn物种有助于降低OER反应决速步骤的能垒。

Surface Reconstruction Regulation of Co₃N through Heterostructure Engineering toward Efficient Oxygen Evolution Reaction

吴启辉：集美大学海洋装备与机械工程学院教授/博士生导师，德国“洪堡”基金学者，教育部新世纪优秀人才，福建省“闽江学者”特聘教授。主要研究方向为新能源器件与材料、二维材料、固体/固体界面及其改性。主持或参与国家自然科学基金、军委科技委、科技部等多项科研项目，迄今已在Nat. Commun., Chem, Nano Today, Adv. Energy Mater., Nano Energy, Adv. Funct. Mater.等学术期刊上发表SCI论文180余篇， H-index为48。入选全球前2%顶尖科学家-终身科学影响力榜单(2023)。担任中国化工学会化工新材料委员会委员、福建省电池技术协会理事以及多本SCI和EI杂志编委成员。

梁汉锋：厦门大学化学化工学院副教授/博士生导师，固体表面物理化学国家重点实验室固定研究人员，国际先进材料协会会士(2022)。主要从事纳米材料、功能涂层、电化学催化及储能等相关研究，主持及参与国家自然科学基金、JKW、工信部、科技部等多项科研项目，迄今已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Lett., J. Chem. Educ.等学术期刊上发表SCI论文100余篇，论文总引用14000余次，H-index为54。入选全球前2%顶尖科学家-终身科学影响力榜单(1960-2022)，曾获IAAM科学家奖(2023)，担任Int. J. Hydrogen Energy学科编辑、厦门市锂电池储能应用材料与安全重点实验室第一届学术委员会委员(2023-2028)，Wiley 化学咨询委员会委员(2022-2023)，国际先进材料协会中国理事会委员，以及多个期刊的编委/青年编委。