哈工大徐平教授课题组 AS：内置p-n异质结的CuO-CoOOH纳米阵列用于改善界面电荷转移和再分布，实现高效碱性OER- 大数跨境

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哈工大徐平教授课题组 AS：内置p-n异质结的CuO-CoOOH纳米阵列用于改善界面电荷转移和再分布，实现高效碱性OER

科学材料站

2021-10-20

导读：该文章通过设计使用原位阳极氧化方法结合低温化学浴方法，在三维自支撑泡沫铜骨架上成功构建异质结构型CuO@CoOOH纳米阵列材料。

文章信息

【实验+计算+模拟】p-n异质结型CuO-CoOOH纳米阵列用于改善界面电荷转移和再分布，实现高效碱性OER

第一作者：胡静

通讯作者：徐平*

单位：哈尔滨工业大学

研究背景

高效电解水是未来理想的清洁能源转换技术之一。受限于动力学缓慢的四电子过程，电催化析氧反应（OER）被认为是限制电解水的决速步。构建纳米合金或异质结构是改善催化剂OER性能的常用策略。

研究表明，电子密度的调节对制备高OER活性电催化剂具有重要意义。由于异质结在获得更高的比表面积和更低的活化能方面的协同效应，在电解水催化剂中构建异质结结构越来越受到关注。

前期调研发现，在非贵金属材料中，Co基材料与Cu基材料复合，复合材料可作为潜在替代贵金属的优异OER催化剂。

文章简介

基于此，哈尔滨工业大学徐平教授课题组在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Improved Interface Charge Transfer and Redistribution in CuO-CoOOH p-n Heterojunction Nanoarray Electrocatalyst for Enhanced Oxygen Evolution Reaction”的实验文章。该文章通过设计使用原位阳极氧化方法结合低温化学浴方法，在三维自支撑泡沫铜骨架上成功构建异质结构型CuO@CoOOH纳米阵列材料。

实验结果、理论计算和模拟分析结果表明，异质结结构可以加速电子在界面的转移。此外，纳米阵列结构也可以引导离子流动，减弱表面电势梯度所引起的大过电位，从而增强局部电场，加速碱性OER动力学。

原位阳极氧化过程中释放的表面吸附的SO42-也有助于提高电催化活性。性能测试结果表明，表面吸附有SO42的复合异质结构CuO@CoOOH纳米阵列材料展现出优异的OER活性，在10 mA cm-2的电流密度下，过电位仅为~186 mV，Tafel斜率为51.7 mV dec-1，以及在碱性介质中的长期耐久性。

此外，大尺寸催化剂的制备表明了批量生产的可行性，这项工作也为设计和制备规模化高活性p-n异质结电催化剂提供了一条新的途径。

图1. p-n异质结构型CuO@CoOOH纳米阵列OER催化剂

文章亮点

亮点一：构建具有优异OER性能的CuO@CoOOH p-n异质结纳米阵列材料

表面吸附有SO42的复合异质结构CuO@CoOOH纳米阵列材料展现出优异的OER活性，在10 mA cm-2的电流密度下，过电位仅为186 mV，Tafel斜率为51.7 mV dec-1，以及在碱性介质中的长期耐久性。这一结果优于大多数非贵金属基电催化剂。

亮点二：深入了解p-n异质结对电催化OER性能的贡献

能带图、电流密度分布模拟和DFT计算揭示了p-n异质结结构的CuO@CoOOH能加速界面处的电子转移，优化界面电荷再分配，使得CoOOH表面形成了许多活性中心，促进了碱性电解质中的OH-向CoOOH的转移，增强了其吸附能力，从而促进了OER过程。

亮点三：表面吸附SO42-在OER中起到了一定的作用

原位拉曼光谱技术研究揭示了原位阳极氧化过程中CoSx原位氧化为CoOOH并伴随着SO42−吸附在其表面，电子云密度分布模拟和密度泛函理论（DFT）计算表明，表面吸附的SO42−可以通过增强OH−的吸附来促进OER过程。

亮点四：实现了实验室条件下大面积电催化剂的可控制备。

大尺寸（14×25 cm2）样品的成功制备证明了催化剂工业化生产的可能性。

文章链接

“Improved Interface Charge Transfer and Redistribution in CuO-CoOOH p-n Heterojunction Nanoarray Electrocatalyst for Enhanced Oxygen Evolution Reaction”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202103314

通讯作者简介

徐平教授。

哈尔滨工业大学化工与化学学院教授、副院长，美国化学会ACS Applied Materials & Interfaces副主编。主要从事无机纳米光电催化材料和表面增强拉曼光谱的研究。以通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., ACS Energy lett., Adv. Funct. Mater., ACS Catal., Appl. Catal. B: Environ. 等学术刊物上发表多篇研究论文。

第一作者简介

胡静博士。

2018年进入哈尔滨工业大学攻读博士学位，研究方向为非贵金属电催化材料的制备，博士期间以第一作者发表SCI论文3篇（IF均＞10），受理专利一项。

详细信息请访问团队主页：

http://homepage.hit.edu.cn/pingxu