农林要闻

胡勇教授团队在《Nature》子刊发表高水平研究论文

时间:2024-02-09  作者:刘欢欢  点击数:

2月3日,化材学院胡勇教授等人在国际权威期刊《Nature Communications》(中科院1区Top,IF=16.6)在线发表题为“Lattice oxygen activation and local electric field enhancement by co-doping Fe and F in CoO nanoneedle arrays for industrial electrocatalytic water oxidation”(Fe和F共掺杂CoO纳米针阵列增强晶格氧活化和局部电场促进电催化析氧反应)的研究论文,证明了通过阴、阳离子双掺杂策略可耦合晶格氧活化机制和局域电场,从而实现工业级电催化析氧反应。

析氧反应(OER)对一系列清洁能源储存和转化过程至关重要。然而,OER动力学缓慢、过电位大等问题严重制约了其工业应用。深入理解电催化剂结构与电化学行为的相关性,揭示其催化机理,对开发高活性和耐久性OER催化剂具有重要意义。目前,公认的OER机理主要包括吸附氧化机理(AEM)和晶格氧反应机制(LOM)。其中LOM可通过晶格氧的直接耦合,绕过AEM过程中OOH*的形成过程,降低反应能垒。另外,催化剂的反应速率常常受到传质的限制。研究表明高曲率纳米结构可引入局部电场,在尖端表面富集电解质离子,促进传质。但尖端增强电场对OER的影响,如反应中间体的形成和O2气体的释放,却很少被探索。此外,高效的OER电催化剂应具有以下两个特点:1)通过调整金属阳离子和氧配体来激活晶格氧,2)具有丰富的高曲率位点,以促进传质,从而协同提高电催化活性。然而,如何在精确地整合两者具有挑战性。更重要的是,晶格氧活化和局部电场增强的协同作用及其对电催化性能的相互作用尚未阐明。

基于此,胡勇教授课题组通过简单的阴、阳离子双掺杂策略制备了Fe和F共掺杂的粗糙CoO纳米针阵列(缩写为Fe、F-CoO NNAs)用于碱性条件下的电催化析氧反应。得益于晶格氧活化和局域电场的耦合作用,所制备的Fe、F-CoO NNAs在10 mA cm–2的电流密度下表现出169 mV的极低过电位,在500 mA cm–2的工业电流密度下表现出277 mV的过电位和优异的耐久性,超过了大多数已报导的OER催化剂。

进一步结合实验结果和理论模拟发现Fe和F双掺杂可协同调节CoO的电子结构,改善金属-氧共价性和促进晶格氧活化,激活LOM机制。此外,Fe掺杂增强尖端电场和邻近效应,在催化剂表面高效富集OH,提高了传质动力学,优化了LOM反应能垒,促进了O2的解吸。这些结果为设计高效的OER电催化剂开辟了一条新途径,也加深了对催化剂构效关系和电催化机理的理解。更广泛地说,这项工作对其他催化反应以及涉及氧化学或传质的能量存储系统的研究具有重要借鉴意义。

该论文工作得到了国家自然科学基金和浙江省重大项目基金的资助。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-45320-0

(化材学院   刘欢欢)

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