高电势活化原始材料调控氧析出反应中的阳离子浸出和表面重构

氧析出反应（OER）催化剂的合理设计对于电解水的整体效率至关重要。研究表明，一些非常活泼的OER催化剂常常伴随着阳离子浸出和表面重建的现象。但是很少有研究致力于通过调控催化剂控制表面重构，并促进OER 催化剂活性的提升。

近日，南洋理工大学的徐梽川教授课题组与College de France 的Alexis Grimaud合作的一项研究，提出通过在高电势下活化原始材料来调控阳离子浸出和表面重构的方法。

在不同电位下活化尖晶石材料CoCr₂O₄，活化电位越高，稳定后会得到性能更好的活化后材料。其中1.7 V电位下活化得到的Act-CoCr₂O₄，其性能超越了高活性的IrO₂和NiFeOOH。

图1. CoCr₂O₄的结构表征和电化学表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

实验结果表明，高电势活化CoCr₂O₄激发了Cr的氧化析出，从而将OER惰性的尖晶石材料CoCr₂O₄转化为高活性OER催化剂。

图2. Cr析出和高电势活化后的CoCr₂O₄的表面重构。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

基于实验结果，该研究工作提出了高电势下Cr离子被氧化成为高价态，随后以CrO₄^2-形式析出溶解于电解液中。Cr的缺失增强了表面重构的趋势，进而活化成为高活性的羟基氧化物。活化后的材料在OER过程中，通过质子电子非协同转移，产生了具有较高活性的Co 羟基氧化物表面。

图3. 不同电势下的活化机理。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed

这项工作表明了调控阳极电势在诱导析出部分金属离子从而改变催化剂表面化学中的重要性。该工作为精准调控表面重构提供了一种新策略。相关研究文章发表在Angewandte Chemie International Edition上。

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）：

Anodic Oxidation Enabled Cation Leaching for Promoting Surface Reconstruction in Water Oxidation

Yan Duan, Jun Yan Lee, Shibo Xi, Yuanmiao Sun, Jingjie Ge, Samuel Jun Hoong Ong, Yubo Chen, Shuo Dou, Fanxu Meng, Caozheng Diao, Adrian C. Fisher, Xin Wang, Günther G. Scherer, Alexis Grimaud, Zhichuan J. Xu

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202015060

导师介绍

徐梽川

http://www.x-mol.com/university/faculty/38302

Alexis Grimaud

https://www.college-de-france.fr/site/en-solid-state-chemistry-and-energy/Team-Members.htm