Nat. Commun.：非贵金属酸性OER催化剂研究进展

氢能具有清洁可再生等优势，是最有潜力替代传统化石燃料的新型能源。电解水制氢是在新能源快速发展背景下，完善清洁能源消纳长效机制以及实现电网和气网互通的重要手段。质子交换膜（PEM）电解槽是高效的电解水装置，具有服役电流大以及制取气体纯净等优点，但是酸性OER催化剂的设计是制约其规模化应用的主要因素之一。现有催化剂主要是Ir和Ru等贵金属化合物，储量低且价格高昂。因此开发廉价高效的催化剂是解决当前技术瓶颈的重要手段。

近日，美国威斯康辛大学麦迪逊分校金松（Song Jin）教授（点击查看介绍）与哈尔滨工业大学宋波教授（点击查看介绍）合作在Nature Communications 上发表研究论文，报道了Co₃O₄/CeO₂纳米复合材料具有优异的酸性OER催化性能，文章第一作者是哈尔滨工业大学博士生黄金祯。研究发现CeO₂与Co₃O₄充分混合，形成紧密结合的界面，从而扩大两相界面处的电子调控作用，改变其局域结构特性，进而促进酸性OER催化性能的提升，电流密度达到10 mA cm^-2时的过电位仅为423 mV（以FTO为衬底）和347 mV（以碳纸为衬底），是目前最优的非贵金属酸性OER催化剂之一。

图1. Co₃O₄和Co₃O₄/CeO₂纳米复合催化剂的酸性OER性能对比

在OER催化的过程中，Co₃O₄的表面会发生重构。通过对比Co₃O₄和Co₃O₄/CeO₂在局域结构动态演化以及电化学特性上的差异可以揭示纳米复合材料的增强机理以酸性OER机制。因此，该工作中利用了动力学同位素效应（KIE）、pH相关性和温度相关性分析对Co₃O₄/CeO₂纳米复合催化剂进行了精细的电化学表征，并结合原位Raman和非原位X射线近边吸收谱（XAS）的结构表征，证实了纳米CeO₂的引入为Co₃O₄创造了更有利的局域成键环境，使得Co₃O₄表面的Co^III物种容易被氧化为OER活性Co^IV物种，并抑制了该过程中电荷积累，从而提高了酸性OER催化活性。

图2. Co₃O₄和Co₃O₄/CeO₂纳米复合催化剂的原位Raman表征结果

同时，稳定性分析揭示了Co₃O₄/CeO₂在具有优异催化活性的同时能保持较好稳定性，打破了对酸性OER中催化活性与稳定性折衷关系的认知。该项研究不仅利用储量丰富的过渡金属设计出了高效的酸性OER催化剂，也为其它反应的催化剂设计提供的新的策略。

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Modifying redox properties and local bonding of Co₃O₄ by CeO₂ enhances oxygen evolution catalysis in acid

Jinzhen Huang, Hongyuan Sheng, R. Dominic Ross, Jiecai Han, Xianjie Wang, Bo Song*, and Song Jin*

Nat. Commun., 2021, 12, 3036, DOI: 10.1038/s41467-021-23390-8

导师介绍

金松教授, 1997年在北京大学获理学学士学位, 2002年在康奈尔大学获博士学位,师从Francis J. DiSalvo院士, 并在哈佛大学Charles M. Lieber院士的指导下进行博士后研究。主要研究兴趣包括纳米和固体材料的化学、物理和技术应用。金松博士发现并发展了螺位错驱动的纳米材料生长,促进了各种纳米材料的创新合成,包括金属硫族化合物、硅化物和卤素钙钛矿纳米材料。基于这些基础研究的认知, 金松博士推进了电催化、太阳能转换、光电子学、纳米自旋电子学和生物技术等领域(纳米)材料的开发。迄今已发表论文230余篇, 获专利8项, 其中发表Science 4 篇、Nature Materials 3篇、Nature Nanotechnology 1篇、Nature Communications 9篇、J. Am. Chem. Soc. 21 篇、ACS Energy Letters 5篇等。 已获得的奖项和荣誉包括NSF CAREER奖, Research Corporation Cottrell Scholar奖，《麻省理工技术评论》杂志评选的世界35岁以下35位创新者之一(TR35奖), ACS ExxonMobil Solid State Chemistry奖学金, Alfred P. Sloan研究奖学金, ACS Inorganic Nanoscience奖等。 2018-2020年连续入选科睿唯安全球高被引科学家名单。目前担任ACS Energy Letters期刊资深编辑。

金松

https://www.x-mol.com/university/faculty/49967 

课题组主页

https://jin.chem.wisc.edu/ 

宋波，哈尔滨工业大学航天学院教授，博士生导师，国家自然科学基金委优秀青年基金获得者。近年来课题组主要从事非贵金属电催化剂的制备及性能研究，第三代宽禁带半导体材料的生长与物性等方面的研究。近五年在Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Nano Lett.等期刊上发表研究性论文30余篇，获得授权发明专利13项。

宋波

https://www.x-mol.com/university/faculty/38305 

个人主页：

http://homepage.hit.edu.cn/songbo 

Google Scholar：

https://scholar.google.com.hk/citations?hl=zh-CN&pli=1&user=t8picLIAAAAJ