高能界面结构构筑高效稳定双功能电催化剂的关键

界面结构对许多非均相催化剂有着非常重要的作用，特别是高能界面结构可有效促进反应物在催化剂表面的吸附及电荷传递，从而显著提高催化剂的性能。因此，合理设计和构筑具有高能界面结构的活性材料是制备高性能非均相催化剂的一个关键。氧催化在储能及能量转换领域包括金属-空气电池、燃料电池、电解水制氢体系等扮演着重要的角色。近年来，可同时高效催化氧析出（Oxygen evolution reaction, OER）和氧还原（Oxygen reduction reaction, ORR）的双功能电催化剂是该领域的研究热点，特别是基于价格低廉和储量丰富的过渡金属双功能催化剂得到越来越多的关注，但目前大多数过渡金属双功能催化剂的催化性能仍低于贵金属催化剂（如催化OER的Ru和催化ORR的Pt）。此外，过渡金属催化剂的稳定性也亟待提高，开发同时具备高效和高稳定性的过渡金属双功能催化剂仍然是一项具有挑战性的工作。

近日，澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋教授（点击查看介绍）通过巧妙合理的设计（如下图所示），利用过渡金属络合物间原子水平的强化学偶联作用，有效构建了独特的高能界面结构，并进一步构筑了新型高效的氧析出和氧还原双功能电催化剂，为开发高效稳定的过渡金属双功能催化剂提供了一条新的解决途径。

该工作选取了常见的过渡金属氧化物Mn₃O₄和CoO为材料，首先合成了具有高指数面的Mn₃O₄纳米八面体（hi-Mn₃O₄），利用静电作用使Co²⁺吸附在hi-Mn₃O₄表面，并通过化学还原方法合成了Co/hi-Mn₃O₄，原位氧化进而在hi-Mn₃O₄上形成均匀分布的CoO纳米簇（CoO/hi-Mn₃O₄）。同步辐射结果表明，Hi-Mn₃O₄和CoO界面上形成强化学偶联键Mn-O-Co，且hi-Mn₃O₄的Mn(III)-O通过界面Mn-O-Co从CoO夺取电子，使CoO具有高氧化态，从而构建高能界面结构。对比试验发现高指数面hi-Mn₃O₄在构建高能界面结构中起着关键的作用，相比于普通的Mn₃O₄纳米颗粒，hi-Mn₃O₄能和CoO在界面上形成具有强作用的化学偶联键Mn-O-Co，从CoO夺取电子的能力也更强，因而hi-Mn₃O₄构建的高能界面结构远优于普通Mn₃O₄纳米颗粒。

作为氧析出和氧还原双功能电催化剂，具有高能界面结构的CoO/hi-Mn₃O₄在碱性电解液中比目前开发的过渡金属双功能催化剂具有更优异的催化性能，其氧析出性能甚至优于商业贵金属催化剂Ru/C，氧还原性能和商业贵金属Pt/C相近。更重要的是，CoO/hi-Mn₃O₄也表现出高稳定性（10个小时不间断运行后，氧析出保留活性对比Ru/C：95% vs 81%；氧还原保留活性对比Pt/C：92% vs 78%）。

该工作利用过渡金属络合物间的强化学偶联作用有效构建了高能界面结构的设计策略，同时适用于制备其他高性能的非均相催化剂。这一成果近期发表在《德国应用化学》上。

该论文作者为：Chunxian Guo, Yao Zheng, Jingrun Ran, Fangxi Xie, Mietek Jaroniec, and Shi-Zhang Qiao

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Engineering High-Energy Interfacial Structures for High-Performance Oxygen-Involving Electrocatalysis

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 8539, DOI: 10.1002/anie.201701531

乔世璋教授简介

澳大利亚阿德莱德大学化工学院纳米技术首席教授，主要从事电催化、光催化新材料、高效储能材料的设计、制备、结构表征及其在能源存储及转换等领域的研究。在Nature、Nat. Mater.、Nat. Energy、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. 等国际刊物上发表学术论文300余篇，文章引用25000余次，H指数为85；荣获奖项包括澳大利亚研究委员会桂冠学者（ARC Laureate Fellowship）、澳大利亚研究委员会杰出研究奖（Outstanding Researcher Award）、2016年澳大利亚-新西兰化工学会埃克森美孚奖（ExxonMobil Award）、2013年美国化学会能源分会学术新星奖（Emerging Researcher Award）；英国皇家化学学会会士（Fellow）、皇家澳大利亚化学会（RACI）会士、国际化学工程师协会会士。

http://www.x-mol.com/university/faculty/29675