2021年3月，Applied Catalysis B: Environmental杂志在线发表了内蒙古大学王蕾教授团队在电催化/光电催化制氢领域的最新研究成果。该工作报道了一种具有高导电性的杂化Co/CoO/Co(OH)2纳米线电催化材料，显示了优异的电催化OER性能。该材料作为助催化剂进一步修饰到BiViO4半导体上，在1.23 VRHE电位下，Co/CoO/Co(OH)2/BiVO4半导体获得5.32 mA·cm-2光电流值以及10个小时的稳定性。论文第一作者为内蒙古大学化工学院2019级硕士研究生刘淑杰，论文共同通讯作者为：内蒙古大学王蕾教授和吉林大学张伟教授。
第一作者：刘淑杰
通讯作者：王蕾教授和张伟教授
DIO：doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120063
本文亮点
该项工作中，王蕾课题组提出了一种将混合Co/CoO/Co(OH)2纳米线作为活性和稳定催化剂的新策略。通过Sn掺杂Co2(OH)2CO3发生结构相变，制备了一维β-Co(OH)2纳米线。随后在氮气气氛的等离子体蚀刻中处理β-Co(OH)2，形成多相Co/CoO/Co(OH)2。所获得的催化剂表现出优异的OER性能，在20 mA·cm-2下的过电势为266 mV，并且在421 mV较低的过电势下，可以实现500 mA·cm-2的高电流密度。稳定性测试中，Co/CoO/Co(OH)2发生结构重建，逐渐转变成CoOOH，在200小时内显示出超强的耐久性。引入的Co和Sn调节了电子密度及结构形貌，有助于实现电催化性能的提高和长期稳定性。尤为重要的，该新型催化剂可以用于光电催化研究中，提高半导体（如BiVO4）光生载流子迁移效率以及获得较好的稳定性能，解决半导体光腐蚀性难题。该策略为解决刻蚀技术引入的电极不稳定，获得高活性高稳定性电催化剂材料提高了新思路。同时，为光电化学水分解研究中，提供了新型助催化剂。
背景介绍
电催化分解水制氢被公认为是利用可再生资源制备氢气的有效途径之一。探索高活性、低成本、稳定的电催化剂对于开发大规模的水分解系统至关重要。
图表解析
图1. (a) Co/CoO/Co(OH)2合成示意图; (b,e) XRD和EPR谱; (c,d) TEM图和(f,g) HAADF-STEM图。T表示晶格畸变; (h) STEM-EDS元素谱图图1a显示了合成杂化Co/CoO/Co(OH)2示意图。XRD分析表明经Sn掺杂的样品出现相变变化，形成β-Co(OH)2；经等离子体刻蚀后的样品XRD峰值强度降低，表明出现了缺陷。HAADF-STEM图进一步显示了该结构中出现Co单质和氧化物相。
图2. Co(OH)2和Co/CoO/Co(OH)2XPS谱，CoL边XANES及EELS分析
对Co/CoO/Co(OH)2样品进一步分析(图2)，XPS图中显示了金属Co和CoO，进一步证实杂化物相的形成。
图3. Co(OH)2和Co/CoO/Co(OH)2电化学性能对Co(OH)2及Co/CoO/Co(OH)2的OER性能研究，发现经刻蚀后的Co/CoO/Co(OH)2表现出优异的OER性能，在20 mA·cm-2电流密度下，过电位为266 mV, 塔菲尔斜率为85 mV·dec-1。尤为重要的是，该电催化材料分别在20 mA·cm-2和500 mA ·cm-2下表现出长达200小时的稳定性。准原位XPS分析表明，单质Co逐渐氧化成Co2+/Co3+，最终形成CoOOH。
为开发新型助催化剂材料，将该Co/CoO/Co(OH)2负载到BiVO4半导体上，除起始电位略高外，该材料在1.23 VRHE下实现了5.32 mA·cm-2的电流密度，在0.8 VRHE下稳定性达10小时，这是目前钴基OER助催化剂修饰到BiVO4半导体上活性和稳定性最好的催化剂之一。
图4. Co/CoO/Co(OH)2表征：(a) 多步计时安培曲线；(b) 20 mA·cm-2和500 mA·cm-2下200小时的稳定性测试； (c) 200 h前后LSV曲线；(d-g) 在20 mA·cm-2不同时间下的Co 2p (d)、O 1s (e)、Sn 3d (f)和N 1s (g) XPS光谱；(h) 模拟太阳光下Co/CoO/Co(OH)2/BiVO4的LSV曲线；(i) PEC稳定性测试。
全文小结
通过简便的一锅水热法将Sn引入到Co2(OH)2CO3，并成功合成了β-Co(OH)2纳米线。实验结果表明，Sn掺杂可显著调节Co(OH)2电子结构，并改善和提高活性位点。通过等离子刻蚀法合成了具有适当界面结构的新型Co/CoO/Co(OH)2纳米线多相催化剂，进一步增强了电化学比表面积和电子结构，提高了OER性能。同时该催化剂结合BiVO4光阳极上用于太阳能驱动水分解，表现出显著增强的光电化学活性和稳定性。
作者介绍
王蕾，内蒙古大学化工学院教授。主要研究方向为光电催化与腐蚀防护。目前以一作/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、ACS Catal.、Mater. Horiz.等期刊发表论文47篇。课题组链接：
https://www.x-mol.com/groups/imu_wanglei
文献信息：
Shujie Liu, Rui-Ting Gao, Mao Sun et. al. In situ construction of hybrid Co(OH)2 nanowires for promoting long-term water splitting. Applied Catalysis B: Environmental 292 (2021) 120063
使用仪器
PLS-FX300HU高均匀性一体氙灯光源，输出光斑为矩形均匀光斑，光斑大小10×10~50×50 mm2联系可调，最大输出光功率密度＞3000 mW/cm2。标配液芯光纤，照射角度更加灵活。除用电流条件输出光强外，还可采用电动光阑实现光功率的精细调节。
本文素材来源：内蒙古大学王蕾教授团队
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