英文原题：Vacancy-Activated Surface Reconstruction of Perovskite Nanofibers for Efficient Lattice Oxygen Evolution
通讯作者：刘苏彪，中南大学，资源加工与生物工程学院；肖伟，国防科技大学，电子科学学院
作者：刘林波
背景介绍
由可再生能源驱动的电化学水分解、可逆燃料电池和可充电金属空气电池在缓解温室效应和能源危机方面具有巨大潜力。然而，氧析出反应（OER）因动力学缓慢，成为限制整体能量效率的关键瓶颈。钙钛矿氧化物凭借其灵活的组成、可调电子结构和晶体稳定性，被认为是高效OER催化剂的理想候选材料。近年来，激活钙钛矿表面重构以生成自重构电活性物质从而提升OER性能备受关注。然而，高重构电位、有限的电解液渗透性以及钙钛矿表面活性位点暴露不足，显著制约了自重构活性物质的高效生成，成为进一步优化催化性能的主要挑战。
图1. a) LCNF-NFs合成过程的示意图；b, c) LCNF-NFs的SEM图像；d) TEM；e) HRTEM；f) 对应的FFT图案；g) LCNF-NFs的立方晶格；h) HAADF-STEM图像；i) 对应的EDX元素分布图。
文章亮点
近日，中南大学刘苏彪教授与国防科技大学肖伟副研究员在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了关于氧空位激活钙钛矿纳米纤维电化学表面重构促进高效晶格氧析出反应的研究成果。研究通过Ce掺杂结合静电纺丝工艺，对LNF钙钛矿的电子结构与纳米构型进行精确调控，系统探讨了不同物化特性对电化学重构行为及其氧析出反应（OER）性能的影响，为钙钛矿催化剂的设计与优化提供了新的思路。
图2. a) LCNF-NFs、LCNF-NPs和LNF-NPs的表面重构电位及OER起始电位；b)通过LOM路径在LCNF-NFs上诱导快速表面重构的示意图；c) O 2p轨道的PDOS；d) 通过Ce掺杂和纳米结构调控使促进O 2p能带中心上移。
Ce掺杂和一维纳米构型显著增加了LCNF-NFs的氧空位含量，促进了其O 2p能带中心上移，这成功激活了LCNF-NFs的晶格氧参与OER反应。而晶格氧的快速氧化诱导了表面配位不饱和阳离子位点的形成，进而加速了表面重构，生成具有高电活性的金属羟基氧化物物种。
图3. a) 测试前后的拉曼光谱；b) 测试后电解液中的离子浓度；c) 示意图显示LCNF-NFs上形成的大量活性物种；d, e) LCNF-NFs测试前后的HRTEM图像及其对应的FFT图案。
一维钙钛矿纳米构型有效地增强了电解质对LCNF-NFs的可及性和渗透性，促进了更多的A位阳离子浸出在电解液中，这间接表明了LCNF-NFs表面在OER过程中形成了更多的活性物种，形成了由Ni/FeO(OH)包覆LCNF的一维结构，因此显著增强了OER活性。
总结/展望
研究团队通过静电纺丝和煅烧策略，成功合成了微量Ce掺杂的LCNF-NFs。Ce掺杂在LCNF-NFs中引入了高浓度的氧空位，激活了LCNF-NFs的晶格氧，在低电位下诱导了表面重构。此外，特有的一维纳米结构提高了LCNF-NFs的电解液可接近性和渗透性，促进了表面大量电活性Ni/FeO(OH)物种的形成，构建了LCNF-NFs@Ni/FeO(OH)的类核壳结构。因此，LCNF-NFs展示了显著提高的质量和比活性，在0.1 M KOH中表现出仅342.3 mV的低过电位。本研究不仅展示了氧空位效应在驱动表面重构中的作用，还强调了特定纳米结构在实现更好表面重构中的重要性，这为智能设计高性能钙钛矿材料用于不同电化学设备开辟了有前景的方向。
相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，中南大学博士研究生刘林波为文章的第一作者，中南大学刘苏彪教授与国防科技大学肖伟副研究员为通讯作者。
通讯作者简介
刘苏彪 教授
刘苏彪：中南大学教授、博士生导师，国家海外高层次人才，升华学者特聘教授，“金属资源低碳利用教育部工程研究中心”碳转化方向负责人。刘苏彪教授课题组长期致力于废旧电池资源回收、燃料电池、高温电解池等领域的研究，基于改性矿物材料、钙钛矿材料等微纳米材料，研制开发了新型燃料电池（如烷烃脱氢制烯烃、CO2重整等）和高温电解池（如CO2电解、CO2与H2O共电解等）新工艺，在绿色能源、废旧电池资源回收、CO2捕集、利用与还原方面取得了众多研究成果。迄今为止，刘苏彪教授已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Edit., ACS Catal., Adv. Energy Mater., Electrochem. Energy Rev., Nano Energy等国际顶尖期刊发表论文50余篇，担任Nano-Micro Letters, Advanced Powder Materials, Materials Research Letters, Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition), 中国有色金属学报（中文版）等中英文期刊青年编委。
课题组网站:
http://liusubiao.cn
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ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 49, 67830–67838
https://doi.org/10.1021/acsami.4c16293
Published December 2, 2024
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Xing Yi Ling
Nanyang Technological University
Deputy Editor
Peter Müller-Buschbaum
Technische Universität München
ACS Applied Materials & Interfaces为化学家、工程师、物理学家和生物学家等的跨学科领域提供服务，重点探索如何具体应用开发新材料和研究界面过程
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