韩晓鹏/刘光/李晋平EES：NiMoO4中引入Fe3+和F−，实现大电流水/盐水稳定氧化

由可再生电力驱动的水分解为生产高纯度和清洁氢能提供了一种很有前景的方法。阳极析氧反应(OER)涉及四电子和质子转移，是水分解能量效率的限制步骤。常用的贵金属(如Ru和Ir)基电催化剂储量稀少且价格昂贵，进一步阻碍了水分解技术的实际应用。因此，人们付出了大量努力来设计和开发高效和低成本的过渡金属基电催化剂用于高效催化OER。然而，尽管这些电催化剂在低电流密度下已经表现出优异的活性，但它们在工业电流密度(高达1 A cm⁻²)下保持长期耐久性(> 100 h)的能力仍然是一个挑战。

近日，天津大学韩晓鹏、太原理工大学刘光和李晋平等通过引入铁阳离子(Fe³⁺)和氟阴离子(F⁻)稳定氧空位(O_vac)，探索了一种优化NiOOH能带结构的新方法。具体而言，以NiMoO₄水合物为模板，引入F和Fe调控前驱体的结构，在电氧化过程中通过MoO₄²⁻浸出形成含纳米片/棒的F-NiFeO。

实验结果和理论分析表明，Fe掺杂诱导分子内电子转移，产生高氧化态的Ni和压缩应变；同时，高电负性F的引入诱导O_vac的形成，进一步诱导电子的再分布。因此，这导致了Ni 3d带的下降和O 2p能级的升高，这有助于增加电子迁移率和晶格氧活化。此外，¹⁸O同位素标记结合原位拉曼光谱和差分电化学质谱(DEMS)证实了晶格氧机制(LOM)的发生，并且随着速率决定步骤(RDS)的切换而降低了反应能垒。

电化学性能测试表明，在碱性溶液和盐水中，F-NiFeO在10 mA cm⁻²电流密度下的过电位分别为170 mV和173 mV，并且其只需要290 mV和295 mV的低过电位就可以分别在碱性溶液和盐水中以1 mA cm⁻²的电流密度连续电解超过100小时。此外，F⁻和O_vac的共存平衡了材料的电荷，使O_vac保持稳定，并抑制在OER过程中F⁻的进一步浸出，显著提高了反应的稳定性。

总的来说，该项工作展示了一种通过激活晶格氧的能带工程实现工业水/盐水分解的有效方法，促进了过渡金属在碱性水/盐水电解大规模制氢中的应用。

Activating lattice oxygen based on energy band engineering in oxides for industrial water/saline oxidation. Energy & Environmental Science, 2024. DOI: 10.1039/D4EE00214