具有氧空位的多层中空MnCo2O4微球作为氧气析出反应的高效电催化剂 |苏州大学杨瑞枝教授、Jin-Ho Choi教授CEJ

文章信息

具有氧空位的多层中空MnCo2O4微球作为氧气析出反应的高效电催化剂

第一作者：曾楷，李伟，周瑜

通讯作者：杨瑞枝*，Jin-Ho Choi*

单位：苏州大学

研究背景

氧气析出反应（OER）在金属-空气电池，电解水等能源转换与存储系统中扮演着重要的角色。但是，由于其复杂的反应机理以及多步质子耦合电子转移导致其反应动力学迟缓，需要较高的过电位才能驱使反应的发生。目前，贵金属基（Ir, Ru, IrO2和RuO2）电催化具有更加优异的OER性能，但是由于其储量匮乏、价格昂贵、稳定性差等因素限制了其大面积的应用，因此，合理开发高效、稳定的非贵金属电催化剂就显得尤为重要。

过渡金属氧化物因其储量丰富、价格低廉、易于制备，而被视为OER中具有潜力的电催化剂。但是过渡金属氧化物固有的半导体性质要求其需要进行修饰、改性以满足商业化应用的需求。基于此，各种性能提升策略被提出和利用，例如：结构设计、形貌控制、界面优化以及电子结构调控等，旨在提升催化剂固有的活性以及增加反应活性位点的数量。氧空位作为缺陷类型之一，与电荷分布和能带结构密切相关。催化剂中氧空位的存在可以显著调控活性位点的电子结构，并改善催化剂的电子导电性，并进一步增强电催化剂的本征活性。

文章简介

近日，苏州大学杨瑞枝教授课题组联合Jin-Ho Choi教授 在Chemical Engineering Journal期刊上发表题为“Multilayer Hollow MnCo2O4 Microsphere with Oxygen Vacancies as Efficient Electrocatalyst for Oxygen Evolution Reaction”的研究文章。

该工作采用实验与密度泛函数理论（DFT）计算相结合，发现通过等离子体刻蚀改性处理的多层中空MnCo2O4微球，一方面可以暴露更多的反应活性位点，另一方面氧空位的引入可以有效的降低近费米能级处的态密度以及Co-d能带中心，削弱了中间体的吸附，减小其限速步骤（HO* ➝ O*）的自由能，进而提高OER的反应速率。

本文要点

要点一：该工作采用溶剂热法以及等离子体刻蚀策略制备了具有氧空位的多层中空MnCo2O4微球 （Vo-MnCo2O4），通过利用缺陷工程设计为制备高效的OER电催化剂提供了一条有前景的途径。

要点二：等离子体刻蚀处理增加了多层中空MnCo2O4微球的表面积，有利于更多活性位点的暴露。尤其重要的是，氧空位的引入可以有效的调控MnCo2O4的电子结构，增加其导电性以及本征活性的提升，表现出增强的OER活性以及稳定性。

要点三：空位缺陷的形成能（ΔHf）计算发现，氧空位（Vo）相较于VMn和VCo拥有更低的ΔHf，即氧空位更易形成。此外，相较于MnCo2O4的（100）和（110）晶面，(001)晶面具有更低的表面能，表明MnCo2O4 (001)表面比（100）和（110）更容易形成。

要点四：DFT计算证实氧空位的引入可以有效降低MnCo2O4的禁带宽度，显示出增强的导电性能；此外，近费米能级附近的态密度以及Co-d能带中心的降低，有利于优化OER中间体的吸附/解吸，并增强MnCo2O4的本征活性。

文章链接

Multilayer Hollow MnCo2O4 Microsphere with Oxygen Vacancies as Efficient Electrocatalyst for Oxygen Evolution Reaction. (Chem. Eng. J., 2020, DOI: 10.1016/j.cej.2020.127831)

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127831

通讯作者介绍

杨瑞枝，苏州大学能源学院教授，博士生导师。

2005年7月，于中国科学院物理研究所获理学博士学位；2005.9—2008.5，于加拿大达尔豪斯大学(Dalhousie University)作博士后研究；2008.6—2011.6，在美国斯坦福大学(Stanford University)任职Research Associate；2011年6月至现在，于苏州大学任职特聘教授。研究方向为：新型储能材料和器件的基础和应用研究。在Adv. Funct. Mater., ACS Nano, ACS Catal., Energy Storage Mater., Appl. Catal. B和Chem. Mater. 等学术期刊发表SCI文章60余篇，论文引用5000余次，个人h-index为44。申请10多项中国专利和1项国际专利。主持国家科技部重点研发计划子课题、国家自然科学基金、江苏省高校自然科学研究重大项目、江苏省自然科学基金等科研项目。现任中国硅酸盐学会固态离子学理事会理事、国际电化学能源科学院(IAOEES）的Board committee member。荣获2008年度加拿大青年科学家Ulm电化学论坛奖和2013年度“中国电化学青年奖”。

课题组介绍

见课题组网站：http://web.suda.edu.cn/yangrz/list.htm