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氧析出反应（OER）作为水分解制氢中的关键步骤，其缓慢的动力学限制了整体效率。传统催化剂（如RuO₂和IrO₂）虽然性能卓越，但高成本和稀缺性制约了其应用。尖晶石氧化物因其独特的晶格氧还原特性，被认为是下一代高效OER催化剂的理想候选材料。然而，目前大多数尖晶石氧化物仍主要依赖于吸附物演化机制（AEM），导致反应活性受限。本文提出了通过稀土元素掺杂激活晶格氧的新策略，为设计高效OER催化剂开辟了新方向。
成果简介
研究团队以NiCo₂O₄为模型，通过在八面体位点引入稀土元素铈（Ce），实现了晶格氧还原行为的显著调控。结果表明，Ce掺杂的NiCo₂O₄（Ce-NiCo₂O₄）在10 mA/cm²电流密度下展现出270 mV的低过电位，并表现出优异的稳定性。原位拉曼和同位素标记质谱实验进一步证实了Ce的引入促进了晶格氧机制（LOM）的发生，从而实现了OER性能的提升。
研究亮点
稀土掺杂激活晶格氧机制
通过Ce-O-M（M = Ni, Co）桥键，优化了电子分布，促进了晶格氧的活化。高效电催化性能
Ce-NiCo₂O₄在10 mA/cm²的电流密度下，仅需270 mV的过电位，同时展现出卓越的稳定性。理论与实验结合
密度泛函理论（DFT）计算揭示了Ce掺杂如何促进非协同质子-电子转移，提高了LOM路径的反应活性。
配图精析
图1：NiCo₂O₄和Ce-NiCo₂O₄的分子轨道和电子分布示意图，展示了稀土掺杂如何通过电子耦合激活晶格氧。
图2：通过XRD和XPS表征证实Ce的引入导致了NiCo₂O₄晶格的轻微扩展，并对Ni和Co的电子态产生了调控作用。
图3：XANES谱学研究。
图4：在碱性电解液中的极化曲线和电化学稳定性测试，表明Ce-NiCo₂O₄相比传统尖晶石催化剂具有更低的过电位和更高的稳定性。
图5：通过DFT计算和表面Pourbaix图，详细分析了Ce掺杂对OER路径的调控，证实其显著降低了潜在决定步骤（PDS）的能垒。
展望
本研究通过稀土掺杂策略，成功实现了尖晶石氧化物晶格氧还原行为的调控，显著提升了OER活性和稳定性。未来研究可探索其他稀土元素的掺杂效应，以进一步优化催化剂性能，为绿色氢能技术的发展提供更多可能性。
文献信息
期刊：Angewandte Chemie International Edition
DOI：10.1002/anie.202415306
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202415306
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