Small:镍掺杂的钙钛矿助力高效稳定的碱性电催化析氧反应

开发具有高活性和高稳定性的析氧反应(OER)电催化剂对可再生、安全、零排放的能源技术至关重要。动力学缓慢的析氧反应不仅需要四次连续的质子耦合电子转移,而且还要经历过渡自旋状态。为了提高缓慢的动力学并促进反应进行,已开发了多种高效的OER电催化剂材料。钙钛矿(ABO3)作为一种金属氧化物催化剂,因具有出色的本征活性、结构可调、价格优势和环境友好性而受到广泛的关注。自从经典的钙钛矿材料Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)被报道具有优异的OER电催化活性后,有关优化BSCF本征活性的研究一直是研究热点。

近年来,氧空位已被证明可以极大地增强OER的电催化活性和耐久性。这是因为氧空位不仅可以增加催化剂的电导率,还可以调控表面电子结构和反应活性位点数量。元素掺杂是一种促进钙钛矿中氧空位生成的有效方法,对增强电化学性能极为有利。据相关研究报道,在BSCF的A位和O位进行掺杂可有效地提高其OER性能。然而,钙钛矿中与O2-配位的B位通常才是与氧有关的反应中间体的活性位。因此,在BSCF钙钛矿结构的B位进行掺杂被认为可以更有效地提高OER的电催化活性。在各种B位掺杂剂中,Ni被认为是有利于氧催化反应良好的替代候选。

广东工业大学林展教授、董飞飞副教授及其研究团队首次将一系列B位Ni掺杂的BSCF应用于碱性条件下的析氧反应。采用溶胶-凝胶法制备了BSCFNx催化剂,并对其晶体结构、金属离子的价态、氧非化学计量比和电化学性能进行了表征。结果表明,Ni的掺杂促进了氧空位的形成,并且氧空位的浓度随着Ni含量的增加而增加,同时能够保持立方对称性的钙钛矿晶体结构。其中,Ni掺杂量为20%的BSCF(BSCFN20)具有最佳的催化活性,特定电流密度下的过电位远远低于BSCF母体和基准催化剂RuO2。此外,以BSCFN20为阳极组装成的两电极电解槽具有出色的电解水活性和稳定性。

研究人员认为,出色的OER活性和稳定性表明钙钛矿BSCFN20在电催化和其它可持续能源技术中具有极大的应用潜力,此研究可为设计高效、稳定的钙钛矿电催化剂提供一种切实可行的策略。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.202006638)上。