發布時間：2023年4月13日
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近日，吉林大學材料科學與工程學院蔣青教授和郎興友教授在電催化水分解制氫領域取得了新的進展。研究成果以“Lamella-heterostructured nanoporous bimetallic iron-cobalt alloy/oxyhydroxide and cerium oxynitride electrodes as stable catalysts for oxygen evolution”為題，于2023年3月31日在線發表在《Nature Communications》上。
對于電化學分解水制備氫能，由于陽極OER動力學緩慢，導致電化學水分解的能量效率很低，阻礙了其廣泛應用。此外，在大規模工業生產中，又要求在<300 mV的低過電勢下，實現>500 mA cm－2的高電流密度。然而，目前大多數催化劑由于本征活性不足、需要使用有機粘結劑等原因，只能在低電流密度下工作數十個小時，遠不能滿足工業要求。因此發展高效、穩定的非貴金屬基OER電催化材料十分重要。
為了解決這些問題，本工作制備了一種具有獨特結構的納米多孔異質層狀催化劑，其結構由層狀FeCo和CeO2-xNx交替分布組成。通過掃描電鏡、透射電鏡、EDS等多種表征手段證明了FeCo和CeO2-xNx兩相的組成，以及FeCo/CeO2?xNx界面的存在。
由于獨特的多孔層狀結構，提供了豐富的活性位點（FeCo/CeO2?xNx界面）、促進了電子轉移和物質傳輸，并且調節了對中間體的吸附能，這些都使得該電極具有優異的OER催化性能（~186 mV的起始過電勢、~33 mV dec－1的Tafel斜率以及~1.3Ω的電荷轉移電阻）。在300 mV過電勢下，納米多孔FeCo/CeO2?xNx電極可以實現~1195 mA cm－2的電流密度，達到了工業要求（500 mA cm－2）的2倍。此外，該電極一體化的優勢，使其具備足夠的機械性能來承受大電流密度下（>3900 mA cm－2）劇烈的O2釋放帶來的沖擊，并使得其穩定性優于大多數催化劑（在~1900 mA cm－2電流密度下穩定工作超1000小時）。
材料學專業博士研究生曾書培、代天一和鼎新學者博士后時航為本文的共同第一作者。通訊作者為吉林大學材料科學與工程學院蔣青教授和郎興友教授，該工作得到了國家自然科學基金面上項目和重點項目的資助。
來源：吉林大學材料科學與工程學院 網站 2023.4.6