Advanced Functional Materials: Fe2+诱导原位插层和阳离子脱溶制备富空位Co80Fe20(OH)(OCH3)析氧电催化剂

钴基催化剂由于具有储量丰富、高活性和良好结构稳定性的特点,被认为是非常有前景的OER电催化剂。电催化剂在阳极极化电位下往往容易被氧化,在催化剂表面形成的钴的羟基氧化物或氢氧化物被广泛认为才是真正的活性物种。目前,已经有大量关于钴基氧化物或氢氧化物OER电催化剂的研究被相继报道。然而,此类催化剂堆叠的层状结构使得其催化活性位点的暴露非常有限,实际电催化过程中测得的起始电位远远高于热力学平衡电位。

湖南大学化学化工学院王双印课题组邹雨芹等人针对这一问题,以β-Co(OH)2中一半羟基被甲氧基配体取代的CoMe材料为研究对象,针对三价金属离子难以大量热力学稳定存在于CoMe的特点,在材料合成过程中引入杂原子Fe2+作为铁源,将配体工程、缺陷工程和杂原子工程有机结合,实现三种策略的OER协同催化。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202009245)上。

归因于插层离子Ac与四面体Co/Fe-O指向层间第四个角的配位,CoFeMe的BET比表面积相比CoMe,由16.5 m2 g-1 急剧增加到 101.6 m2 g-1。同时,借助于XAS的表征和分析,伴随着反应过程中阳离子的脱溶,形成了大量的阴阳离子空位。结合TGA、FTIR、ICP和EA测试结果,可以计算得到CoFeMe的准确化学式为Co80Fe20[(OH)(OCH3)](Ac)x·yH2O。由于大量空位的存在和烷氧基的拉电子效应,Co价态由+2.14(CoMe)增加到+2.3(CoFeMe),Fe2+几乎被完全氧化并以+2.94存在,更高价态金属往往被认为有利于高价OER活性物种的形成。正是由于这些优点,驱动OER电流密度达到10 mA cm-2的过电位急剧减小,由350 mV(CoMe)减小到240 mV(CoFeMe)。简而言之,本研究不仅提出利用Fe2+诱导效应实现了CoMe的原位插层和空位形成,也提供了一锅法实现元素嵌入、插层和缺陷工程三合一的新思路。