赵川EES: Co3O4中引入缺陷，实现大电流下高效稳定催化酸性OER

Ir基和Ru基贵金属材料是OER的基准催化剂，具有良好的活性和稳定性，但其高成本和稀缺性大大限制了它们的大规模应用。近年来，过渡金属基OER电催化剂已被广泛研究，其在碱性介质中具有良好的活性和稳定性。而酸性溶液中的非贵金属基催化剂(如CoFePbO_x、MnO_x、FeN₄/NF/EG和N-WC)通常表现出较大的起始电位(>1.5 V)和/或较差的稳定性。

此外，当非贵金属催化剂应用于膜电极组件等设备时，这些设备可能具有与实验室三电极体系截然不同的局部工作环境，这无疑会增加额外挑战。因此，在不同的工作环境和操作条件下，开发出对酸性OER具有活性和稳定性的非贵金属催化剂具有重要意义。

近日，澳大利亚新南威尔士大学赵川课题组开发了一种具有表面氧空位的超细尖晶石Co₃O₄空心纳米管催化剂(Vo-Co₃O₄ HNC)，其在酸性介质中表现出高OER性能。实验结果和理论研究表明，引入氧缺陷有效地调节了OER反应通过晶格氧(LOM)机制进行，这能够抑制Co的溶解；并且，适当的缺陷通过优化中间体的吸附/解吸能加速反应的进行，显著提高了活性和稳定性。

此外，有限元模拟表明，Vo-Co₃O₄ HNC的空心立方结构赋予了材料高度暴露的活性位点和大的界面接触面积，使得材料能够在在大电流密度下高效稳定催化OER。

得益于形貌和缺陷工程的协同作用，Vo-Co₃O₄ HNC催化剂在酸性条件下仅需265 mV的过电位就能达到10 mA cm⁻²的电流密度，并能够在20 mA cm⁻²电流密度下稳定运行超130小时，远远超过基准催化剂(如RuO₂、390 mV和< 6小时)和最先进的非贵金属催化剂。

更重要的是，使用Vo-Co₃O₄ HNC的PEM电解槽在1 A cm⁻²时的能耗为48.8kg⁻¹_H2，显示出巨大的实际应用潜力。总的来说，该项工作通过形貌和结构工程显著提升了Co基催化剂在酸性条件下的活性和稳定性，这有助于激发人们对其他非贵金属基催化剂在酸性介质中的性能研究。

Defect-balanced active and stable Co₃O_4-x for proton exchange membrane water electrolysis at ampere-level current density. Energy & Environmental Science, 2024. DOI: 10.1039/D4EE00977K

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