Advanced Energy Materials:有舍方有得-选择性去除氧化钒有效调控一元金属水氧化催化剂表面活性位点

水氧化反应(OER)是水分解制氢的决速步,因此稳定高效的OER催化剂是决定水分解器件性能的关键所在。在碱性电解质中,研究者们已经发展了大量基于二元金属或多元金属的OER催化剂,如NiFe、NiCo、MnCo和FeCoW等氧化物和氢氧化物,并通过引入氧空位缺陷等方法,进一步提高了这些催化剂的催化性能。然而,如何有效调控氧空位缺陷仍是本领域的一个难点;另一方面,相对而言,基于一元金属的OER催化剂报道较少,在少量有关CoOx、CoPi和FeSx等催化剂的研究中,其OER催化性能也难以令人满意。因此,发展一种普适的方法制备高效的一元金属基OER催化剂,成为本研究领域的一大挑战。

有鉴于此,大连理工大学孙立成院士团队的范科教授课题组发展了一种新颖的制备方法,将氧化钒与催化剂前驱体Co2(OH)3Cl相复合,然后在碱性溶液中使用简单的CV处理,去除复合物中的氧化钒,并同时将前驱体Co2(OH)3Cl原位转化为一元金属基OER催化剂CoOOH。研究发现,通过控制复合物中氧化钒与Co2(OH)3Cl的比例,便可有效调控CoOOH的表面氧空位缺陷的含量和活性位点的数量,从而影响CoOOH的催化性能。优化后的CoOOH,在负载在玻璃碳电极上且无任何碳添加剂的情况下,仅需282 mV过电势便可达到10 mA cm-2的OER催化电流,显示了较高的催化性能。

进一步地,该课题组将此方法扩展到一元Fe基OER催化剂的制备上。结果表明,经过优化后,所得Fe基催化剂表面富含O缺陷,其催化性能与RuO2相当。此结果证明了这种制备策略的普适性和高效性,并有望扩展到其他一元金属基材料(如Ni、Cu和Mn等)的制备当中去。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201903571)上。 本研究为理性设计和制备高效OER催化剂提供了一种新思路。该工作得到了国家自然科学基金、瑞典研究委员会和广东省电驱动力能源材料重点实验室的资助。