近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所與南開(kāi)大學(xué)、河南師范大學(xué)等單位合作，在離子摻雜水滑石電催化劑研究方面取得新進(jìn)展，構筑了具有優(yōu)異氧析出性能的Cr摻雜的CoFe水滑石電催化劑，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際期刊Small上。
日益增長(cháng)的環(huán)境污染和能源需求，迫使人們一直致力于尋找低成本、高效能源轉換和儲存技術(shù)，而利用高性能催化劑電解水制備氫氣和氧氣是一種可持續且高效的能源轉換方法。其中，催化劑電解水的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題是如何降低水分解反應的過(guò)電勢從而節約電能，這直接關(guān)系到能量的轉換效率和氣體產(chǎn)率。而對于氧析出（OER）反應，由于復雜的四電子轉移過(guò)程和氧分子形成的高能壘，是一個(gè)動(dòng)力學(xué)緩慢過(guò)程，嚴重限制了水分解的效率。因此，發(fā)展高效穩定的氧析出電催化劑具有非常重要的意義。
目前，貴金屬氧化物，如IrO2和RuO2具有較高的氧析出反應活性，但是由于地球含量稀少、價(jià)格昂貴等問(wèn)題限制了其大規模應用。為此，亟需發(fā)展高活性、低成本的氧析出催化劑來(lái)替代貴金屬催化劑。近年來(lái)，科研工作者已發(fā)展了大量的過(guò)渡金屬基析氧電催化劑，其中，鈷基水滑石具有可調的層間陰離子種類(lèi)和數量、開(kāi)放的層狀組成結構、氫氧根配體數量可調等特點(diǎn)，是一種非常有潛力的氧析出電催化劑。理論研究已經(jīng)證實(shí)，鈷基水滑石的四個(gè)氧中間體結合能遵循線(xiàn)性關(guān)系，產(chǎn)生過(guò)電勢約為350 mV，接近理論極限。然而，如何采用有效的策略來(lái)打破理論限制變得非常重要且具有挑戰性。
為此，固體所的研究人員采取低溫水熱合成法，成功在導電基底上制備得到了Cr摻雜的CoFe水滑石電催化劑。該催化劑在堿性環(huán)境中具有非常優(yōu)異的氧析出性能，當電流密度為10mA/cm2時(shí)，其過(guò)電勢僅為238 mV。此外，該電催化劑經(jīng)3000次循環(huán)伏安和20小時(shí)計時(shí)電流法測試后，仍然保持良好的穩定性。密度泛函理論（DFT）計算表明，由于Cr和Co的電負性差異，導致催化劑對OOH*的吸附強度顯著(zhù)降低，打破了△GOOH（OOH中間體吉布斯自由能）和△GOH（OH中間體吉布斯自由能）之間的線(xiàn)性關(guān)系，從而提高了電催化析氧性能。
該方法還可實(shí)現在CoFe水滑石中摻雜Al和V，獲得的催化劑同樣展現了良好的電催化活性。該研究為設計和構筑高效的氧析出電催化劑開(kāi)拓了新思路，顯示了潛在的應用價(jià)值。
圖1. (a) 催化劑制備過(guò)程示意圖，(b-g) 催化劑結構表征
圖2. 催化劑理論模擬與活性機理解釋。
來(lái)源： 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
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