哈工大全媒体（宋波/文）近日，航天学院复材所与合作单位在纳米复合催化剂电催化析氧反应（OER）研究方面取得进展，相关的研究论文《利用CeO₂改变Co₃O₄的氧化还原特性以及局域成键状态增强酸性析氧催化》发表于《自然·通讯》（Nature Communications）上。

电催化将水裂解制取氢气和氧气在能源以及航天领域有重要应用。电解水制氢是新能源快速发展背景下，完善清洁能源消纳长效机制以及实现电网和气网互通的重要手段，而电解水制氧更是目前公认最合理的空间站氧气补给技术。服役于酸性环境的质子交换膜（PEM）电解槽是高效的电解水装置，具有服役电流大以及制取气体纯净等优点，但是酸性OER催化剂的设计是制约其规模化应用的主要因素之一。现有催化剂主要是Ir和Ru等贵金属化合物，储量低且价格高昂。因此开发廉价高效的催化剂是解决当前技术瓶颈的重要手段。

研究人员通过设计纳米复合材料的策略，利用CeO₂对Co₃O₄进行改性。尺寸为~ 5 nm的CeO₂与~ 9.7 nm的Co₃O₄形成紧密结合的界面，从而扩大两相界面处的电子调控作用，使其局域结构以及氧化还原特性发生改变。利用动力学同位素效应（KIE）、pH相关性和温度相关性分析对Co₃O₄/CeO₂纳米复合催化剂进行了精细的电化学表征，并结合原位Raman和非原位X射线近边吸收谱（XAS）的结构表征，清楚地揭示了催化剂的局域结构特征及其在OER过程中的动态演化过程变化。研究发现：纳米CeO₂的引入为Co₃O₄创造了更有利的局域成键环境，使得Co₃O₄表面的Co^III物种容易被氧化为OER活性Co^IV物种，并抑制了该过程中的电荷积累。该过程显著提高了酸性OER催化活性，过电位减低了84 mV，使得Co₃O₄/CeO₂成为目前最好的非贵金属酸性OER催化剂之一。同时，稳定性分析揭示了Co₃O₄/CeO₂复合结构在具有优异催化活性的同时能保持较好稳定性，打破了对酸性OER中催化活性与稳定性折衷关系的认知。该项研究不仅利用储量丰富的过渡金属设计出了高效的酸性OER催化剂，也为其它反应的催化剂设计提供的新的策略。

本研究得到了学校“青年科学家工作室”和“世界顶尖大学战略合作计划”的支持。

文章链接： https://doi.org/10.1038/s41467-021-23390-8