三单位联合EES: 缺陷活化Fe2O3-CeO2上晶格氧，高效电催化水氧化

催化开天地 · 公众号 · · 2024-07-12 08:21

正文

【做计算找华算】 理论计算助攻顶刊，50000+成功案例，全职海归技术团队、正版商业软件版权！

电催化水分解(OWS)是一种绿色且可持续的制氢方法。然而，阳极析氧反应(OER)由于具有缓慢的反应动力学，限制了水电解的整体反应效率。传统的吸附质演化机制(AEM)不能克服受Sabatier’s原理和关键中间体(*O、*OH和*OOH等)线性尺度关系限制，阻碍了催化性能的提高。最近的研究证明，基于晶格氧机制(LOM)的OER通过解耦质子和电子转移，绕过线性尺度AEM的限制，从而降低反应过电位，减少能量消耗。因此，开发基于LOM的新型OER电催化剂已成为推进水分解发展的研究前沿之一。

近日， 北京大学邹如强 、 大湾区大学(筹)郭文翰 和 四川师范大学谢奉妤 等报道了一种多孔镍泡沫(NF)负载的富含缺陷的Fe ₂ O ₃ /CeO ₂ 纳米异质结材料(Fe ₂ O ₃ @CeO ₂ -O _V )，作为高效OER催化电极。

结合XPS、 ¹⁸ O同位素标记和密度泛函理论(DFT)计算，证明富缺陷初始结构诱导的晶格氧的参与，使AEM向LOM的转换成为可能。具体而言，氧空位显著增强了Fe ₂ O ₃ 与CeO ₂ 纳米颗粒之间的相互作用，促进了异质结界面上的电荷转移，降低了LOM*(OL-O)形成和O ₂ 解吸步骤的自由能，从而显著提升催化剂固有的OER活性。

性能测试结果显示，所制备的富缺陷Fe ₂ O ₃ @CeO ₂ -O _V 催化剂在10 mA cm ⁻² 电流密度下的OER过电位仅为172 mV，并且其可以在317 mV过电位下达到1000 mA cm ⁻² 的大电流密度，优于大多数文献报道的Fe基催化剂。此外，在膜基流动池中模拟实际的工业场景，Fe ₂ O ₃ @CeO ₂ -O _V 同样表现出良好的活性和稳定性，证实了其在商业应用中的巨大潜力。

总的来说，该项工作为构建高性能Fe基OER催化剂提供了一种新的策略，同时为低成本工业水分解应用提供了一种很有前途的解决方案。

Activating lattice oxygen by defect-engineered Fe ₂ O ₃ -CeO ₂ nano-heterojunction for efficient electrochemical water oxidation. Energy & Environmental Science, 2024. DOI: 10.1039/D4EE01588F

🌐 做计算，找华算