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质子交换膜水电解（PEMWE）在可持续制氢中具有重要意义，但其阳极的氧析出反应（OER）通常依赖于贵金属催化剂。为降低成本，本研究探索了使用非贵金属的氟化钴氧化物（Co₃O₄₋ₓFₓ）作为OER催化剂。研究团队开发了一种新颖的氟化策略，将少量氟引入Co₃O₄晶格中，显著提高了其OER活性和长期稳定性。
成果简介
研究结果显示，Co₃O₄₋ₓFₓ在酸性条件下仅需349 mV的过电位即可达到10 mA cm⁻²的电流密度，并在100 mA cm⁻²电流密度下稳定运行超过120小时。深入的原位和准原位表征表明，氟的引入促进了Co³⁺的前氧化反应并显著增强了催化剂的结构稳定性，使其表现出卓越的电催化性能。
研究亮点
提升OER活性和稳定性：Co₃O₄₋ₓFₓ在酸性条件下的低过电位和高稳定性表现出优于大多数非贵金属OER催化剂的性能。
氟化策略的创新：通过在Co₃O₄中引入氟，调控Co的局部环境，有效抑制了不利的Co(IV)=O物种的生成。
电化学机制解析：基于密度泛函理论（DFT）和原位表征，揭示了F−Co−O结构在OER中的作用机制。
配图精析
图1：Co₃O₄₋ₓFₓ的结构表征。X射线衍射图和X射线吸收谱（XAS）表明氟原子均匀嵌入到Co₃O₄晶格中，形成F−Co−O键，进一步增强了材料的结构稳定性。
图2：Co₃O₄₋ₓFₓ的微观结构分析。高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像和元素分布图显示出F在Co₃O₄₋ₓFₓ中的均匀分布，有助于提高材料的电化学耐久性。
图3：电化学性能测试。线性扫描伏安曲线显示Co₃O₄₋ₓFₓ在酸性条件下表现出较低的过电位，Tafel曲线表明其在OER中具有优良的动力学特性。
图4：原位和准原位XPS和XANES分析揭示了OER过程中Co的氧化态演变。准原位XPS数据显示，在高电势下Co的氧化状态趋向稳定。
图5：DFT模拟揭示了氟对Co₃O₄表面活性位点的电子结构调控，解释了OER活性提升的本质。模拟表明氟掺杂有效降低了反应能垒，有助于OER反应的进行。
展望
该研究通过氟掺杂策略成功地提高了Co₃O₄在酸性OER中的活性和稳定性，为非贵金属OER催化剂的设计提供了新的思路。未来的研究可以进一步优化此类氟化策略，推进在商业化水电解技术中的应用。
文献信息
期刊：Energy & Environmental Science
DOI：10.1039/D4EE03982C
原文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE03982C
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