酸性OER催化劑的催化性能研究

　　氫能具有清潔可再生等優勢，是最有潛力替代傳統化石燃料的新型能源。電解水制氫是在新能源快速發展背景下，完善清潔能源消納長效機制以及實現電網和氣網互通的重要手段。質子交換膜（PEM）電解槽是高效的電解水裝置，具有服役電流大以及制取氣體純凈等優點，但是酸性OER催化劑的設計是制約其規模化應用的主要因素之一。現有催化劑主要是Ir和Ru等貴金屬化合物，儲量低且價格高昂。因此開發廉價高效的催化劑是解決當前技術瓶頸的重要手段。

　　近日，美國威斯康辛大學麥迪遜分校金松（Song Jin）教授與哈爾濱工業大學宋波教授合作在Nature Communications 上發表研究論文，報道了Co₃O₄/CeO₂納米復合材料具有優異的酸性OER催化性能，文章第一作者是哈爾濱工業大學博士生黃金禎。研究發現CeO₂與Co₃O₄充分混合，形成緊密結合的界面，從而擴大兩相界面處的電子調控作用，改變其局域結構特性，進而促進酸性OER催化性能的提升，電流密度達到10 mA cm-2時的過電位僅為423 mV（以FTO為襯底）和347 mV（以碳紙為襯底），是目前最優的非貴金屬酸性OER催化劑之一。

　　圖1. Co₃O₄和Co₃O₄/CeO₂納米復合催化劑的酸性OER性能對比

　　在OER催化的過程中，Co₃O₄的表面會發生重構。通過對比Co₃O₄和Co₃O₄/CeO₂在局域結構動態演化以及電化學特性上的差異可以揭示納米復合材料的增強機理以酸性OER機制。因此，該工作中利用了動力學同位素效應（KIE）、pH相關性和溫度相關性分析對Co₃O₄/CeO₂納米復合催化劑進行了精細的電化學表征，并結合原位Raman和非原位X射線近邊吸收譜（XAS）的結構表征，證實了納米CeO₂的引入為Co₃O₄創造了更有利的局域成鍵環境，使得Co₃O₄表面的CoIII物種容易被氧化為OER活性CoIV物種，并抑制了該過程中電荷積累，從而提高了酸性OER催化活性。

　　圖2. Co₃O₄和Co₃O₄/CeO₂納米復合催化劑的原位Raman表征結果

　　同時，穩定性分析揭示了Co₃O₄/CeO₂在具有優異催化活性的同時能保持較好穩定性，打破了對酸性OER中催化活性與穩定性折衷關系的認知。該項研究不僅利用儲量豐富的過渡金屬設計出了高效的酸性OER催化劑，也為其它反應的催化劑設計提供的新的策略。