强钴―氧键合作用提升缺陷型Co2MnO4酸性析氧反应稳定性

谢静宜 吕千喜 乔韦珍 卜辰宇 张昱声 翟雪君 吕仁庆 柴永明 董斌

引用本文: 谢静宜, 吕千喜, 乔韦珍, 卜辰宇, 张昱声, 翟雪君, 吕仁庆, 柴永明, 董斌. 强钴―氧键合作用提升缺陷型Co2MnO4酸性析氧反应稳定性[J]. 物理化学学报, 2024, 40(3): 230502. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305021 shu
Citation:  Jingyi Xie, Qianxi Lü, Weizhen Qiao, Chenyu Bu, Yusheng Zhang, Xuejun Zhai, Renqing Lü, Yongming Chai, Bin Dong. Enhancing Cobalt―Oxygen Bond to Stabilize Defective Co2MnO4 in Acidic Oxygen Evolution[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(3): 230502. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305021 shu

强钴―氧键合作用提升缺陷型Co2MnO4酸性析氧反应稳定性

    通讯作者: 柴永明, ymchai@upc.edu.cn; 董斌, dongbin@upc.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 52174283

    中国石油大学(华东)研究生创新基金项目 22CX04023A

    中央高校基本科研业务费 

摘要: 通过实验和理论已经验证钴基氧化物是一种很有前景的析氧反应(OER)催化剂。然而,普通的钴基催化剂在酸性环境中非常不稳定,在酸性电解质中容易被腐蚀。因此,在目前的研究中,设计出能在强酸性条件下同时保持活性和稳定性的析氧催化剂是实现大规模工业制氢应用的一项重要挑战。因此,我们报道了通过在四氧化三钴的尖晶石晶格中引入锰(Mn)从而产生富含缺陷的催化剂(CoMn1O),它在酸性电解质中具有较长的使用寿命。我们利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和能量色散光谱(EDS)元素图研究了晶相结构和化学价态。在引入锰后,由于局部晶体结构的改变,产生了大量的缺陷。此外,随着锰含量的增加,可以观察到Co 2p光谱的红移,这表明Co的总价逐渐增加,形成了更稳定的Co―O键。此外,当Mn与Co的比例达到1(CoMn1O)时,目标催化剂表现出良好的OER活性,在10和50 mA∙cm−2时,过电位分别为415和552 mV。详细的物理表征和电化学测试表明,CoMn1O比不含锰的Co3O4(CoMn0O)能稳定4倍以上的时间。这可以归因于锰的引入调节了Co的电子密度偏向O,从而形成更稳定的Co―O键。Mn可以通过延缓Co活性位点的氧化速率来促进酸性氧的进化,并进一步提升稳定性。密度泛函理论(DFT)计算进一步分析了CoMn1O和CoMn0O的电子结构。与CoMn0O相比,CoMn1O中Co 3dd带中心(εd)向费米能级(EF)移动。这表明CoMn1O通过加强与OER中间物的键合作用从而降低了反应能垒。本研究为设计非贵金属电催化剂实现高效稳定的酸性析氧提供有前景的策略。

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  • 发布日期:  2024-03-15
  • 收稿日期:  2023-05-09
  • 接受日期:  2023-07-10
  • 修回日期:  2023-07-08
  • 网络出版日期:  2023-07-17
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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