為了進一步提高催化劑的OER性能，可以從兩個方面優化OER催化劑的設計策略：一是調整催化劑的電子結構，以優化催化劑本徵催化活性，實現快速的電子轉移；其次是通過結構工程改變催化劑表面的局部環境來促進動力學。
基於納米複合催化劑的合理設計，由於納米級材料之間的獨特相互作用，將能夠同時實現上述兩種策略，協同提高催化劑性能。研究表明，催化劑的結構工程不僅可以提供更多活性位，提高機械穩定性，同時還可調控氧氣的釋放，在影響OER過程中起著關鍵作用。
近日，南開大學的嚴純華院士、杜亞平教授和香港理工大學的黃勃龍報導了一種新穎的合成策略，通過該方法製備得到以鎳鐵鉻氫氧化物（NFC）為最外層，CeO2空心納米管包裹的銅納米棒催化劑（Cu@CeO2@NFC），這種催化劑材料的協同設計方式大大提升了析氧放反應（OER）的性能。
首先，通過不同濃度的Ce3+離子交換並在還原氣氛下退火，形成以Cu為芯，CeO2空心納米管為壁的包裹結構；然後通過電沉積法將NiFeCr氫氧化物納米片沉積在CeO2上，最終得到Cu@CeO2@NFC電催化劑。研究表明，CeO2基質的引入將促進氧離子向催化中心的轉移，並有效地調節NiFeCr氫氧化物的電子結構，使其處於能量有利狀態，同時CeO2中穩定的價態保持了催化劑的高電子反應性。NFC和CeO2界面之間的相互作用，不僅豐富了催化劑的活性位點，而且形成的d-f電子階梯可顯著促進電子的傳遞速率；管狀結構中的銅芯也具有較高的導電性，可以降低電子的快速傳輸，從而協同提高催化劑在鹼性電解質中的OER活性。該研究成果以「Efficient Optimization of Electron/Oxygen Pathway by Constructing Ceria/Hydroxide Interface for Highly Active Oxygen Evolution Reaction」為題與2020年1月9日發表在國際期刊Advanced Functional Materials。
圖1 Cu@CeO2@NFC催化劑結構模型及合成示意圖圖6 催化劑中NFC-CeO2界面的DFT理論計算本文報導了一種由NiFeCr氫氧化物沉積在多孔Cu@CeO2納米管陣列上新型高效的雜化電催化劑（Cu@CeO2@NFC）。該催化劑表現出優異的OER活性，在230.83 mV的過電位下獲得10 mA cm-2的電流密度，Tafel斜率僅為32.7 mV dec-1。CeO2的引入將大大豐富費米能級附近的電子，提高電子從催化劑到吸附物的轉移效率。經過這種局部結構和電子環境的協同優化，不僅豐富了催化劑的活性位點，同時促使d-f軌道耦合，促進電子轉移，以及氧的快速擴散和釋放，從而提升OER催化活性。
Efficient Optimization of Electron/Oxygen Pathway by Constructing Ceria/Hydroxide Interface for Highly Active Oxygen Evolution Reaction(Advanced Functional Materials，2020，DOI: 10.1002/adfm.201908367)原文連結：https://doi.org/10.1002/adfm.201908367深圳華算科技專注理論計算模擬服務，是唯一擁有VASP商業版權和全職技術團隊的計算服務公司，提供全程可追溯的原始數據，保證您的數據準確、合法，拒絕學術風險。目前我們已經完成超過500個服務案例，客戶工作在JACS、Angew、AM、AEM、Nano Energy、Nature子刊、Science子刊等知名期刊發表。