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第一作者：Chengli Rong, Shuhao Wang

通讯作者：赵川

通讯单位：新南威尔士大学

论文速览

将高活性和稳定的无贵金属催化剂用于析氧反应（OER），对于使用质子交换膜（PEM）电解槽实现大规模制氢至关重要。本文报道了一种新型的非贵金属催化剂——含有丰富氧空位的空壳尖晶石钴氧化物（Vo-Co₃O₄ HNCs），用于在酸性条件下进行高效且稳定的OER。

该催化剂在10 mA cm^-2的电流密度下仅需要265 mV的过电位，并能在20 mA cm^-2的电流密度下稳定运行130 h，性能远超传统的RuO₂催化剂和大多数已报道的贵金属基催化剂。实验和理论研究揭示了通过引入适量的氧缺陷可以有效调控反应机制，显著提升催化剂的活性和稳定性。

此外，独特的中空结构和高比表面积进一步促进了OER的性能。在PEM电解器中的应用测试表明，Vo-Co₃O₄HNCs催化剂在1 A cm^-2下运行时，能耗为48.8 kWh kg^-1 H₂，预计成本约为0.976美元/kg H₂，显示出使用地球丰富材料进行PEM水电解的潜力。

图文导读

图1：Vo-Co₃O₄HNCs的合成过程，以及SEM、TEM等表征

图2：Vo-Co₃O₄ HNCs、p-Co₃O₄ HNCs、Vo-Co₃O₄ bulk、商业RuO₂和Co₃O₄在0.50 M H₂SO₄中的OER性能

图3：Vo-Co₃O₄ HNCs和对照样品在不同条件下的OER性能

图4：Vo-Co₃O₄ HNCs、块状Vo-Co₃O₄ 和p-Co₃O₄ HNCs的EPR谱、水分子吸附的优化结构、Co-O键强度

图5：Vo-Co₃O₄ HNCs、c-RuO₂和c-Co₃O₄作为阳极催化剂的PEM电解槽性能

总结展望

本文提出的含有氧空位的空壳尖晶石钴氧化物（Vo-Co₃O₄ HNCs）催化剂在酸性OER中展现出卓越的活性和稳定性，超过了现有的基准催化剂和大多数非贵金属催化剂。通过实验和理论分析，揭示了氧空位和中空结构在调控催化剂的物理化学性质和反应机制中的协同效应，实现了优异且均衡的OER活性和稳定性。

此外，Vo-Co₃O₄ HNCs在PEM电解器中的应用显示出低能耗和低成本，表明了使用低成本非贵金属材料作为阳极在PEM电解器中进行大规模氢气生产的潜力。尽管与工业要求（在60-80 °C下超过数十年提供>1 A cm^-2的电流）仍有差距，但本研究成果为未来替代Ru/Ir基催化剂在PEM水电解中的应用提供了可能性。未来的研究可以进一步改进Co基催化剂的稳定性，例如通过温度效应和多元素掺杂等方法，以实现更广泛的工业应用。

文献信息

标题：Defect-balanced Active and Stable Co₃O_4-x for Proton Exchange Membrane Water Electrolysis at Ampere-level Current Density

期刊：Energy & Environmental Science

DOI：10.1039/D4EE00977K

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