对于工业化的电解水制氢，设计和开发高效的析氧反应电极有利于降低制氢成本。氧化铈由于Ce³⁺/Ce⁴⁺容易转化带来的丰富氧空位和独特的电子结构，被广泛的用于与不同的过渡金属复合来提高水分解产氧或者产氢活性。在我们的前期研究中已经发现，氧化铈中的Ce³⁺和氧空位可以起到激活氧化铈的作用（ChemSusChem 2020, 13, 5273–5279；ACS Catal. 2019, 9, 1605−1611），同时也可以改变复合过渡金属的电子结构（Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2002731），从而实现高的产氧活性。不过对于氧化铈与过渡金属的界面处的电子结构以及与产氧反应的关系还缺乏深入探讨。

近日，北京大学深圳研究生院杨世和教授团队结合其前期工作基础，总结了一种制备氧化铈和氧化钴复合催化剂的方法并将其用于电解水产氧反应。如图1所示，以泡沫镍为载体，通过电化学沉积获得氧化铈后，将基体在硝酸钴溶液中通过浸渍即可自发生长出氧化钴纳米片，通过调节溶液的PH值，可以获得不同尺寸的氧化钴纳米片，从而调节氧化铈与氧化钴的界面效应。

以单独的氧化铈和氧化钴作为对比样，在电压为0V时，CoO/CeO₂电极的速率决速步骤由*OH转换为*O，且热力学反应能垒最低，为1.53eV（图2a）。在电压为1.23V时，CoO/CeO₂电极的热力学反应能垒降低至0.08eV，远低于CoO和CeO₂两个参比样品（图2b）。在氧化钴和氧化铈界面位置处，重构的Co-O-Ce活性界面降低了活性位点与反应中间体的吸附吉布斯自由能，提高了催化剂的本征活性（图2c）。通过降低溶液的PH值得到具有更大尺寸氧化钴纳米片的电催化剂。结果表明，氧化钴纳米片尺寸的增加可以改变界面处电荷的分布，从而影响催化剂活性。随着纳米片尺寸的增加，Co-O-Ce活性界面的电荷密度下降，表面钴的电荷环境更接近于纯氧化钴，因此催化活性降低（图2d）。在Co/Ce界面形成后，Co 3d和Ce 4d带的能量降低，费米能级附近出现少量未占据状态的氧原子。而增强的Co−O键将界面上O原子的非成键态推到一个相对较低的能级。这表明，由于界面处的Ce-O-Co杂化作用，单层CoO/CeO₂在传导带底部附近形成氧空穴，充当受体态。因此，Co-O-Ce构型的活性中心对羟基吸附具有适度的结合能，从而改善了OER动力学。