我校在高效析氧电催化剂研究领域获重要进展
近日，我校国防科技学院教师张友魁师从中国科学技术大学国家同步辐射实验室博士生导师宋礼教授，在高效析氧电催化剂研究方面取得重要进展。
张友魁的研究成果“Atomic Iridium Incorporated in Cobalt Hydroxide for Efficient Oxygen Evolution Catalysis in Neutral Electrolyte”（论文第二单位署名西南科技大学国防科技学院）发表在Wiley旗下国际顶级期刊Advanced Materials （JCR一区TOP，影响因子为19.791）。他通过对超薄氢氧化钴纳米片进行修饰，合成出新型铱原子均匀分布的电催化剂，并对这种催化剂的结构和电催化析氧性能进行了深入研究。
利用电催化分解水是产生清洁可再生能源氢气来代替传统的化石能源，解决当前能源危机和环境污染的一种潜在途径。电催化分解水反应包含析氧和析氢两个半反应，其中析氧反应需要较高的过电势，已经成为限制了电解水的效率的关键。尤其是在中性环境下，析氧反应在微生物电解池和二氧化碳转化等反应中扮演着重要角色。因此，开发高效催化剂，实现低过电势下析氧，特别是适用于中性环境下的电催化剂，具有重要的现实意义，是当前研究的一个重要课题。
本研究在含有钴和铱离子的溶液中，通过简易的还原策略，设计合成了一种金属铱原子均匀分布的二维超薄氢氧化钴纳米片组成的三维自组装高效电催化剂。高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜表征结果表明，金属铱是以单原子和团簇的形式存在于该催化剂中。利用基于同步辐射的X射线吸收谱对该催化剂进行深入表征，结果表明该催化剂具有丰富的缺陷结构。电催化析氧反应后，进一步的X射线吸收谱解析证实该催化剂在析氧过程中会发生不可逆的氧化发生结构重构，转变为真正具有高催化活性的羟基氧化钴和氧化铱。由于高活性物种及缺陷结构之间相互协同作用，使得该催化剂在中性和碱性环境中均表现出超越商业二氧化铱的电催化析氧性能。尤其是在中性条件下，该催化剂在电流密度为10 mA/cm2时，所需的过电位仅为373 mV，展示出极好的电催化析氧性能，具有潜在的应用前景。这项工作对于设计开发基于非贵金属的高效纳米电催化剂提供了新的思路。
此外，张友魁在电催化氧还原反应的电催化剂设计研究中也取得进展。研究通过对二维钴基金属有机框架进行表面修饰，设计合成出新型氮掺杂碳包裹的钴纳米颗粒催化剂，并对这种催化剂的结构和氧气还原反应性能进行了深入探讨。结果表明，表面修饰层有效限制了热解过程中钴纳米颗粒的生长，并提供了丰富的氮和碳，有效促进了该催化剂的电催化氧还原性能。相关研究成果以“Well-Defined Cobalt Catalyst with N-Doped Carbon Layers Enwrapping: The Correlation between Surface Atomic Structure and Electrocatalytic Property”为题发表在Wiley旗下国际著名期刊Small（JCR一区TOP，IF=8.643）（Small, 2018, 14, 1702074.）。
以上研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中组部青年千人计划、中科院百人计划、中国博士后科学基金、合肥大科学中心、纳米科学卓越中心、南开大学先进能源材料化学教育部重点实验室等项目和机构的资助。
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作者 | 王茜
编辑 | 漆若云 王佳帅
指导老师 | 王娟
责任编辑 | 蒋道平 吴安辉
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