電化學(xué)水電解制氫是產(chǎn)生高純度氫能的有前景的策略。然而，與雙電子析氫反應(yīng)(HER)相比，析氧反應(yīng)(OER)的動力學(xué)緩慢，嚴(yán)重限制了水分解的效率。開發(fā)具有可控缺陷的新型電催化劑以提高其電催化活性和穩(wěn)定性是一種有效的策略，但是在原子尺度上精確設(shè)計這些催化劑仍然非常困難。沈陽工業(yè)大學(xué)武祥和吉林大學(xué)白福全等通過調(diào)整摻雜Zn離子的濃度，制備了幾種具有空位依賴性的CoZnxMn2-xO4催化劑以提高水分解產(chǎn)氫的效率。Zn離子摻雜可以引起幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的變化，OER過程中的原位活化加速了活性物質(zhì)的形成并有利于表面重建，通過形成(Co, Mn)OOH活性物質(zhì)可以進(jìn)一步提高催化劑的內(nèi)在活性。電化學(xué)性能測試顯示，在堿性條件下，優(yōu)化的Zn-CoMn2O4-1.5在10 mA cm-2電流密度下的HER過電位為146 mV，在50 mA cm-2下的OER過電位為280 mV；Tafel斜率分別為50.1 mV dec-1和69.1 mV dec-1。此外，以Zn-CoMn2O4-1.5催化劑為電極組裝水電解槽，僅需1.63 V的電池電壓就能產(chǎn)生50 mA cm-2的電流密度，并具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。實驗結(jié)果和密度泛函理論(DFT)計算表明，由于Mn和Zn的協(xié)同效應(yīng)，催化劑能夠很好地吸附水分子。并且，適當(dāng)?shù)腪n離子摻雜可以顯著提高催化劑表面p電子的密度態(tài)，有利于d帶中心接近費米能級，表明催化劑具有高電荷載流子密度和低吸附能，加速了水分解的動力學(xué)。該項工作所提出的調(diào)節(jié)表面重構(gòu)和氧缺陷策略，能夠為開發(fā)其他用于電化學(xué)相關(guān)的催化劑提供指導(dǎo)。Constructing High Efficiency CoZnxMn2-xO4 Electrocatalyst by Regulating the Electronic Structure and Surface Reconstruction. Small, 2022. DOI: 10.1002/smll.202107268
