还原型氧化钴介孔纳米线作为高效的水氧化催化剂

电化学分解水是一种很有前景的方法,可将光能/电能储存在化学键中。其中一个关键问题是制备具有高比表面积、高导电性、高催化活性、且廉价的水氧化的催化剂。传统的钌、铱基稀有金属催化剂尽管活性较高,但它们成本太高。钴基化合物因其相对廉价,近年来得到研究领域的广泛关注。但要取得钴基催化剂的实用化,仍需要进一步在电子结构和几何结构上对其进行调控。复旦大学化学系和先进材料实验室的郑耿锋教授及其合作者发展了一种简单方便的方法,以调控Co3O4的电子结构,其相关结果发表在近期Advanced Energy Materials上(2014, 4, 1400696),并被选为该期杂志的封面。

 

在此项工作中,他们首先利用水热方法合成具有介孔结构的Co3O4纳米线,并在室温下用NaBH4溶液对其进行还原,在表面制造氧空位。由于纳米线的介孔结构具有高比表面积,因此Co3O4固体与NaBH4溶液存在大量液-固界面,从而获得大量的氧空位。通过密度泛函理论计算,揭示了氧空位的存在可让Co3O4的能带结构中出现新的杂质态,使Co3O4中的电子变的更加离域,从而提高了其导电性和催化活性。实验结果显示,对比纯的Co3O4介孔纳米线,还原型的Co3O4介孔纳米线的水氧化电流密度呈现出大幅度的提高。在1.65 V的可逆氢电极电势下,还原性Co3O4的电流密度达到13.1 mA/cm2,相比于未处理的Co3O4介孔纳米线提高了7倍。此外,该还原型Co3O4介孔纳米线阵列作为超级电容器电极,其容量达到978 F/g,大幅高于纯Co3O4介孔纳米线的电容器容量。该还原方法简单方便,且不需要高温处理,提供了一种在原子层面控制半导体氧化物的氧空位掺杂结构,提高相应材料的电化学性能的通用方法。Untitled