格里菲斯大学赵惠军教授/山东高等技术研究院窦玉海教授《Adv. Mater.》：利用中间体结合能的插值原理合理设计析氧反应催化剂

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基于过渡金属析氧反应催化剂的合理设计是降低电极成本、提升电极活性和促进电解水制氢技术产业化应用的关键。目前，大多数催化剂的设计只通过一种活化手段，性能提升并不显著。通过两种活化技术来协同调控电子结构是充分释放催化活性的关键。近日，格里菲斯大学赵惠军教授和山东高等技术研究院窦玉海教授联合报道了一种基于中间体结合能插值原理设计析氧反应催化剂的新思路，所制备的催化剂体现出优异的催化性能。

作者采用理论指导实验的方法，首先通过第一性原理计算揭示了CoOOH中 W掺杂和Co空位对OER中间体结合能调控的插值原理（Figure 1）—W掺杂使得OOH的结合能太强，Co空位使得OOH的结合能太弱，而W掺杂和Co空位共同创造的活性位点与OOH结合能分布于单独W掺杂和单独Co空位之间，其中最佳的活性位点几乎位于过电位等值线图的中心，具备最高的催化活性。 
Figure 1. 基于中间体结合能插值原理设计的高效OER催化剂。
根据理论计算的指导，作者首先通过自组装法合成了Co(OH)₂，然后采用原位掺杂的方法引入W掺杂，后续的电化学活化可部分刻蚀W掺杂形成共存的W掺杂和Co空位，而强碱刻蚀可使W全部脱出形成Co空位（Figure 2a）。材料的形貌、成分、晶体结构和缺陷结构通过扫描电镜、能谱仪、球差校正投射电镜等进行了表征（Figure 2b-g）。 
Figure 2. 催化剂的制备以及形貌、成分、晶体结构和缺陷结构表征。
通过对材料催化反应后Co L边和O K边的X射线吸收光谱进行分析，作者发现当W掺杂和Co空位共同存在时，Co⁴⁺的特征峰最明显。Co L边的能量损失谱也证实了W掺杂和Co空位共存时Co的氧化态是最高的，这预示着材料具备更高的催化活性（Figure 3a-c）。后续的电化学性能表征证实了W掺杂和Co空位之间的协同作用，使得催化剂的活性显著提升，性能明显优于过去报道的同类催化剂（Figure 3d-f）。同时，材料体现出非常好的催化稳定性（Figure 3g）。 
Figure 3. 催化剂电子结构探究及电催化性能表征。
这种通过结合两种相反调控机制、利用插值原理创建协同效应为高效催化剂的设计创造新的途径。相关成果发表在Advanced Materials，题名：“Interpolation Between W Dopant and Co Vacancy in CoOOH for Enhanced Oxygen Evolution Catalysis”。文章第一作者为窦玉海教授、通讯作者为赵惠军教授、何纯挺教授和苑丁博士。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104667

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