北京科技大学ACB ‖ 将V引入CoFe层状双氢氧化物中，沿着V-Co-Fe构建加速电荷转移通道，实现整体水分裂

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文章背景

开发以廉价非贵金属元素为基础的电催化剂势在必行。具有促进活性物质形成的微观结构的催化剂会显著降低OER的能垒。具有二维(2D)特性的材料具有较高的比表面积、活性位点暴露量增加和传质通道扩大等优点，具有较高的OER潜力。

层状双氢氧化物(LDHs)主要由过渡金属组成，在OER过程中具有独特的二维特性和生成表面氢氧化物作为活性物质的能力。然而，LDHs的析氢反应性能不理想，原因是其在析氢过程中吸附氢能力较弱。

此外，电能在电化学整体水分解制氢过程中起绝对核心作用。虽然光伏发电等新型能源转换方法正在大力发展，但燃烧化石燃料的火电发电仍占据市场主流。

因此，除了在电化学整体水分解过程中降低能耗外，还需要开发简单、低能耗的电催化剂合成方法，最终达到降低碳排放的目的。

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北京科技大学王戈课题组等人通过调节M²⁺:M³⁺和Fe³⁺:V³⁺的摩尔比，细致揭示了CoFeV-LDHs中各组分对OER和HER性能的影响。

结果表明，以V³⁺为电子结构调控中心构建了电子转移通道，显著缩小了CoFeV-LDHs在OER和HER过程中的动力学势垒。

此外，在V³⁺的诱导下，优化了Co²⁺和Fe³⁺作为活性位点的电子结构，提高了CoFeV-LDHs对OER和HER的催化活性。

为了评价CoFeV-LDHs的真实电催化性能，选择本征活性较低的碳布作为负载催化剂的导电衬底。因此，通过在碳布上构建二维纳米片阵列，CoFeV-LDHs的分散性和导电性得到了增强。

结果与讨论

图2是催化剂的形貌表征，Co₈FeV@CC纳米片均匀、密集地锚定在碳纤维表面，但这些纳米片的具体形状和大小与Co₄Fe@CC和Co₄V@CC相比有一定的差异。

可以看出，三金属Co₈FeV@CC纳米片具有一种特殊的形貌，大致结合了Co₄Fe@CC和Co₄V@CC的优点。

即Co₈FeV@CC纳米片的边缘在其平坦表面的基础上是不规则的，其平均尺寸介于上述双金属LDH样品之间。

构建的Co₈FeV@CC的微观形貌和结构，有望在保持较高活性位点数量的前提下，保证纳米片表面和边缘同时暴露出尽可能多的活性位点。

图3是催化剂的OER性能表征，在1 M KOH碱性环境下，Co₈FeV@CC表现出最好的OER活性。100 mA cm^-2电流密度时过电位仅有235 mV。Tafel斜率为53.5 mV dec^-1。并且具有最小的电化学转移电阻。

图4是Co₈FeV@CC的HER测试，100 mA cm^-2的过电位仅有182 mV，Tafel斜率是 69.8 mV dec^-1。经过60h的循环稳定性测试，电流密度下降很小。

总之，作者合成了一系列自负载三金属CoFeV@CC，并将其作为OER和HER的双功能电催化剂。

根据以上结果和讨论，Co²⁺、Fe³⁺和V³⁺各自的作用以及它们之间的相互作用，清楚地揭示了它们对OER和HER的影响。

Fe³⁺在LDHs中的存在被认为是OER的主要活性位点，同时也有效地缩小了RDS对HER的能垒。V³⁺的引入显著优化了LDHs的电子结构，促进了电化学反应中的电子转移过程。

Lv J, Liu P, Li R, et al. Constructing accelerated charge transfer channels along V-Co-Fe via introduction of V into CoFe-layered double hydroxides for overall water splitting. Applied Catalysis B: Environmental, 2021, 298: 120587.

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