開(kāi)發(fā)用于酸性介質(zhì)中析氧反應(yīng)(OER)的穩(wěn)定高效的非貴金屬基電催化劑對(duì)于基于質(zhì)子交換膜的水電解具有重要意義，并且這對(duì)于綠色制氫也是必不可少的。

近日，臺(tái)灣清華大學(xué)Shih-Yuan Lu(呂世源)團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種在摻氟氧化錫(FTO)玻璃上原位生長(zhǎng)鈷金屬有機(jī)骨架衍生的Fe摻雜、碳涂層Co₃O₄納米復(fù)合材料(Fe-Co₃O₄@C/FTO)，用作酸性O(shè)ER的高效且穩(wěn)定的無(wú)粘合劑電極。

Fe摻雜通過(guò)誘導(dǎo)小的初級(jí)粒徑和適當(dāng)調(diào)制Co₃O₄的電子結(jié)構(gòu)，提高了酸性O(shè)ER反應(yīng)中碳包覆Co₃O₄的催化效率和穩(wěn)定性，以及更好的催化劑/基材粘附力。

Fe-Co₃O₄@C/FTO在0.5 M H₂SO₄中表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能，在電流密度為10 mA cm^-2時(shí)具有396 mV的低OER過(guò)電位和68.6 mV dec^-1的小Tafel斜率。

另外，該催化劑能夠在10 mA cm^-2下保持穩(wěn)定超過(guò)50小時(shí)，使其成為用于酸性O(shè)ER的有前途的非貴金屬基電催化劑。

Fe-Co₃O₄@C/FTO上的OER機(jī)制: 首先，水分子吸附到氧配位的鈷位點(diǎn)表面，形成中間Co*OH物種(Co⁺)。Co*OH進(jìn)一步氧化導(dǎo)致形成Co*O物種(Co²⁺)，并進(jìn)一步釋放一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子。通過(guò)進(jìn)一步釋放電子和質(zhì)子，形成活性中間體物種Co*OOH(Co³⁺)。

最后，通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中Co*OOH的氧化產(chǎn)生氧氣，同時(shí)恢復(fù)Co活性位點(diǎn)。密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，將Fe摻雜到Co₃O₄的晶格中時(shí)，活性位點(diǎn)處O*和OH*中間體之間的吸附能差異顯著降低，從而增強(qiáng)了OER性能。

In-situ Grown Metal-Organic Framework-derived Carbon-coated Fe-doped Cobalt Oxide Nanocomposite on Fluorine-doped Tin Oxide Glass for Acidic Oxygen Evolution Reaction. Applied Catalysis B: Environmental, 2021. DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120899