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Ir基和Ru基貴金屬材料是OER的基準催化劑，具有良好的活性和穩(wěn)定性，但其高成本和稀缺性大大限制了它們的大規(guī)模應用。近年來，過渡金屬基OER電催化劑已被廣泛研究，其在堿性介質中具有良好的活性和穩(wěn)定性。而酸性溶液中的非貴金屬基催化劑(如CoFePbO_x、MnO_x、FeN₄/NF/EG和N-WC)通常表現(xiàn)出較大的起始電位(>1.5 V)和/或較差的穩(wěn)定性。

此外，當非貴金屬催化劑應用于膜電極組件等設備時，這些設備可能具有與實驗室三電極體系截然不同的局部工作環(huán)境，這無疑會增加額外挑戰(zhàn)。因此，在不同的工作環(huán)境和操作條件下，開發(fā)出對酸性OER具有活性和穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑具有重要意義。

近日，澳大利亞新南威爾士大學趙川課題組開發(fā)了一種具有表面氧空位的超細尖晶石Co₃O₄空心納米管催化劑(Vo-Co₃O₄ HNC)，其在酸性介質中表現(xiàn)出高OER性能。實驗結果和理論研究表明，引入氧缺陷有效地調(diào)節(jié)了OER反應通過晶格氧(LOM)機制進行，這能夠抑制Co的溶解；并且，適當?shù)娜毕萃ㄟ^優(yōu)化中間體的吸附/解吸能加速反應的進行，顯著提高了活性和穩(wěn)定性。

此外，有限元模擬表明，Vo-Co₃O₄ HNC的空心立方結構賦予了材料高度暴露的活性位點和大的界面接觸面積，使得材料能夠在在大電流密度下高效穩(wěn)定催化OER。

得益于形貌和缺陷工程的協(xié)同作用，Vo-Co₃O₄ HNC催化劑在酸性條件下僅需265 mV的過電位就能達到10 mA cm^?2的電流密度，并能夠在20 mA cm^?2電流密度下穩(wěn)定運行超130小時，遠遠超過基準催化劑(如RuO₂、390 mV和< 6小時)和最先進的非貴金屬催化劑。

更重要的是，使用Vo-Co₃O₄ HNC的PEM電解槽在1 A cm^?2時的能耗為48.8kg^?1_H2，顯示出巨大的實際應用潛力。總的來說，該項工作通過形貌和結構工程顯著提升了Co基催化劑在酸性條件下的活性和穩(wěn)定性，這有助于激發(fā)人們對其他非貴金屬基催化劑在酸性介質中的性能研究。

Defect-balanced active and stable Co₃O_4-x for proton exchange membrane water electrolysis at ampere-level current density. Energy & Environmental Science, 2024. DOI: 10.1039/D4EE00977K

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