Small Structures:卤素掺杂层状过渡金属氧化物电催化析氧的活性起源和催化剂设计

为解决能源短缺与环境污染带来的巨大挑战,氢能、风能、太阳能、潮汐能和生物质能等新型清洁能源取代传统能源供给无疑是有效措施之一。其中,环境友好和能量密度高等优点使得氢能被认为是理想的替代燃料,而电解水更是一种绿色且高效的制氢方法。然而电解水过程中的阳极析氧反应(Oxygen Evolution Reaction,OER)需要较大的过电位去克服复杂且动力学缓慢的四电子转移过程,严重限制了电解水制氢技术的发展。因此,发展高效廉价的氧析出反应电催化剂至关重要。卤素掺杂的层状过渡金属氧化物由于其独特的二维结构、大的比表面积以及其特殊的电子结构显示出良好的电催化性能,其用于OER已有了广泛的研究。但是,目前仍没有有效的方法来解释催化剂性能提升的机理。造成这一现象的原因是,水电解过程中催化剂发生的相变和表面重组使预测材料的 OER 性能变得复杂。因此,探索一套能够完整系统地剖析材料催化机理的方法具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

近日,北京邮电大学黄凯副教授、雷鸣教授与南京理工大学潘绪超副教授领导的科研团队提出了一种“理论-计算-实验”的研究体系,针对掺杂卤素原子材料的电子结构与材料催化性能之间的关系,系统性地研究了二维卤氧化钴纳米片(Co-O/F、Co-O/Cl 和 Co-O/Br)作为高效 OER 电催化剂催化机理。

二维卤氧化钴纳米片的示意图

研究人员展示了使用迅速升温方法制备层状Co-O/F、Co-O/Cl 和 Co-O/Br。基于电负性理论和相关的电子结构计算,文章进一步阐述了上述研究体系在实际运用中的具体实施方法。正如第一原理计算和电化学性能测试表明,增加卤素原子的取代浓度可以使 O p 带的能级中心更接近费米能级,从而增强 Co 和 O 离子之间的杂化,最终提升了 OER 性能。并且随着电负性强度的降低,氟、氯和溴阴离子对Co-O键杂化程度的影响也在逐级减弱。其中,Co-O/F表现出优异的OER催化性能,在10 mA cm-2 和100 mA cm-2 的电流密度下过电势分别为 230 mV 和 320 mV,这超过了迄今为止报道的大多数碱性介质非贵金属基电催化剂。总的来说,这项工作不仅让我们了解了二维卤氧化钴催化剂的催化性能和催化机理,而且为筛选和设计用于 OER 的新型卤素掺杂催化剂提供了有效的策略。我们相信这项工作为进一步探索二维钴基催化剂在 OER 和其他相关电化学反应中的应用打下了坚实的基础。

论文信息:

Activity Origin and Catalyst Design Principles for Electrocatalytic Oxygen Evolution on Layered Transition Metal Oxide with Halogen Doping

Zebi Zhao, Haonan Chang, Ruyue Wang, Peng Du, Xian He, Jingkai Yang, Xinlai Zhang, Kai Huang*, Dongyu Fan, Yonggang Wang, Xuchao Pan*, Ming Lei*

Small Structures

DOI:10.1002/sstr.202100069

原文链接:https://doi.org/10.1002/sstr.202100069