点击文末阅读原文可直达文献
酸性氧气析出反应（OER）是质子交换膜水电解（PEMWE）的关键步骤，传统贵金属催化剂如铱和钌成本昂贵，限制了其大规模应用。钴基氧化物作为一种非贵金属替代材料具有较高的催化潜力，但在酸性条件下易溶解，耐久性不足。此次研究团队设计了一种掺镓的钴基尖晶石结构，以Co²⁺-O-Co³⁺八面体位点为活性中心，有效抑制了结构降解并提升了催化活性，表现出优异的酸性OER性能。
成果简介
通过将Ga³⁺掺入钴基氧化物的八面体位点，该研究团队成功构建了Co1.8Ga1.2O4尖晶石结构，并在酸性环境中表现出低至310 mV的过电位和450小时的稳定性。该设计显著提升了钴的抗溶解性，并通过理论计算揭示了Co-Ga位点促进O-O键偶联的低能垒路径，为低成本、高效的酸性OER催化剂开发提供了新的思路。
研究亮点
创新的八面体Co²⁺-O-Co³⁺结构设计：采用掺镓策略，使Co2⁺从四面体位迁移到八面体位，提升了结构稳定性和催化活性。
优异的催化性能：Co1.8Ga1.2O4在200 mA cm⁻²电流密度下稳定运行450小时，展现出非贵金属催化剂的卓越性能。
理论计算揭示反应机制：结合DFT计算与原位拉曼实验，解析了Co-Ga活性位点促进OER的低能垒反应路径。
配图精析
图1：结构表征。(a) XRD图谱确认了Co1.8Ga1.2O4的尖晶石结构特征。(b) TEM图像显示了(311)晶面的晶格条纹。(c) 拉曼光谱中八面体位点的特征峰发生红移，验证了镓的引入导致了Co2+从四面体位迁移到八面体位的结构变化。(d) Co L边缘的X射线吸收光谱（sXAS）进一步支持了该结构转变。
图2：电催化性能。(a) CV曲线显示不同掺镓浓度的样品在不同电位下的氧化行为。(b) 极化曲线显示了Co1.8Ga1.2O4的最低过电位达310 mV。(c) 200小时内的稳定性测试结果表明，与传统Co3O4相比，Co1.8Ga1.2O4的溶解率显著降低。
图3：催化和降解机制研究。原位拉曼光谱显示在不同电位下的OER中间体，其中Co1.8Ga1.2O4的μ-OO过氧中间体峰在较低电位下出现，表明该材料具有较低的能垒，适合快速偶联O-O键。
图4：理论计算揭示的反应路径。(a, b) 不同路径的自由能图表明，Co1.8Ga1.2O4表面通过五步的氧化路径（OPM）能够有效降低反应能垒。(c) DFT计算预测了Co的溶解路径和氧空位形成能，表明Co1.8Ga1.2O4结构中的Ga-O键提供了更强的稳定性。
展望
本研究通过掺镓构建了具有八面体Co²⁺-O-Co³⁺位点的钴基尖晶石结构，在酸性OER中实现了高活性和高稳定性。未来研究将进一步优化非贵金属催化剂的原子级设计，以实现其在工业电解水领域中的大规模应用。
文献信息
期刊：Advanced Energy Materials
DOI：10.1002/aenm.202404007
原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202404007
点击阅读原文直达文献~
声明：更多内容请参考原文，如有侵权，后台联系编辑删除。
