文章資訊
【實驗+計算+類比】p-n異質結型CuO-CoOOH納米陣列用於改善介面電荷轉移和再分佈，實現高效鹼性OER
第一作者：胡靜
通訊作者：徐平*
組織：哈爾濱工業大學
研究背景
高效電解水是未來理想的清潔能源轉換科技之一。受限於動力學緩慢的四電子過程，電催化析氧反應（OER）被認為是限制電解水的决速步。構建納米合金或異質結構是改善催化劑OER效能的常用策略。
研究表明，電子密度的調節對製備高OER活性電催化劑具有重要意義。由於異質結在獲得更高的比表面積和更低的活化能方面的協同效應，在電解水催化劑中構建異質結結構越來越受到關注。
前期調研發現，在非貴金屬資料中，Co基資料與Cu基資料複合，複合材料可作為潜在替代貴金屬的優异OER催化劑。
文章簡介
基於此，哈爾濱工業大學徐平教授課題組在國際知名期刊Advanced Science上發表題為“Improved Interface Charge Transfer and Redistribution in CuO-CoOOH p-n Heterojunction Nanoarray Electrocatalyst for Enhanced Oxygen Evolution Reaction”的實驗文章。該文章通過設計使用原位陽極氧化方法結合低溫化學浴方法，在三維自支撐泡沫銅骨架上成功構建異質結構型CuO@CoOOH納米陣列資料。
實驗結果、理論計算和類比分析結果表明，異質結結構可以加速電子在介面的轉移。此外，納米陣列結構也可以引導離子流動，减弱表面電勢梯度所引起的大過電位，從而增强局部電場，加速鹼性OER動力學。
原位陽極氧化過程中釋放的表面吸附的SO42-也有助於提高電催化活性。性能測試結果表明，表面吸附有SO42的複合異質結構CuO@CoOOH納米陣列資料展現出優异的OER活性，在10 mA cm-2的電流密度下，過電位僅為~186 mV，Tafel斜率為51.7 mV dec-1，以及在鹼性介質中的長期耐久性。
此外，大尺寸催化劑的製備表明了批量生產的可行性，這項工作也為設計和製備規模化高活性p-n異質結電催化劑提供了一條新的途徑。
圖1.p-n異質結構型CuO@CoOOH納米陣列OER催化劑
文章亮點
亮點一：構建具有優异OER效能的CuO@CoOOHp-n異質結納米陣列資料
表面吸附有SO42的複合異質結構CuO@CoOOH納米陣列資料展現出優异的OER活性，在10 mA cm-2的電流密度下，過電位僅為186 mV，Tafel斜率為51.7 mV dec-1，以及在鹼性介質中的長期耐久性。這一結果優於大多數非貴金屬基電催化劑。
亮點二：深入瞭解p-n異質結對電催化OER效能的貢獻
能帶圖、電流密度分佈類比和DFT計算揭示了p-n異質結結構的CuO@CoOOH能加速介面處的電子轉移，優化介面電荷再分配，使得CoOOH表面形成了許多活性中心，促進了鹼性電解質中的OH-向CoOOH的轉移，增强了其吸附能力，從而促進了OER過程。
亮點三：表面吸附SO42-在OER中起到了一定的作用
原位拉曼光譜科技研究揭示了原位陽極氧化過程中CoSx原位氧化為CoOOH並伴隨著SO42−吸附在其表面，電子雲密度分佈類比和密度泛函理論（DFT）計算表明，表面吸附的SO42−可以通過增强OH−的吸附來促進OER過程。
亮點四：實現了實驗室條件下大面積電催化劑的可控製備。
大尺寸（14×25 cm2）樣品的成功製備證明了催化劑工業化生產的可能性。
文章連結
“Improved Interface Charge Transfer and Redistribution in CuO-CoOOH p-n Heterojunction Nanoarray Electrocatalyst for Enhanced Oxygen Evolution Reaction”
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202103314