近年來，在擺脫對化石燃料的依賴的過程中，推動了可再生能源的發(fā)展。然而，由于太陽能、風能和潮汐能等能源的自然波動，在生產(chǎn)水平與消耗不匹配的情況下，需要一種有效的能源儲存路徑。一種潛在的能量儲存途徑是通過電解水生產(chǎn)氫氣，當這種能源來自可再生能源時，以這種方式產(chǎn)生的氫被稱為綠色氫。在這一過程中的限制因素是具有緩慢動力學的析氧反應(OER)以及它的高熱力學勢。摻雜Fe的Co3O4是有效的OER催化劑，但Fe在其中的作用目前還不清楚。
基于此，弗里茨-哈伯研究所Helmut Kuhlenbeck和Beatriz Roldan Cuenya(共同通訊)等人結(jié)合準原位制備和超高真空中的電化學實驗，比較了Co3O4(111)，CoFe2O4(111)和Fe3O4(111)薄膜電催化劑的OER性能。
本文使用來自在實驗的不同階段測試的線性掃描伏安圖的數(shù)據(jù)，匯總了薄膜氧化物在1.63 VRHE電位下的OER活性。實驗的第一步是循環(huán)伏安測試(從開路電位到OER電位的陽極LSV，然后是陰極LSV到1 VRHE)。隨后，將電勢恢復到j=1 mA cm-2時的電勢并保持至少2 h。然后，進行進一步的CV掃描(從OER過程中施加的電位降至1 VRHE的陰極LSV，然后陽極掃描回到OER條件)。由于電化學實驗是在相同的條件下進行的，并且電化學活性面積(ECSA)已知，因此可以定量地比較薄膜之間的活性數(shù)據(jù)。由此也發(fā)現(xiàn)，Co1+δFe2-δO4(111)(δ=0.2)是此時活性最高的催化劑。
根據(jù)本文的研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，在給定的濃度范圍內(nèi)，Co1+δFe2-δO4(111)的活性與Fe濃度之間有一個明顯的關系趨勢：Fe濃度較低的薄膜具有較高的活性，而這種依賴關系是顯著的，催化劑的活性隨著Fe濃度的變化而變化幾倍。更加重要的是，CoFe2O4(111)的活性比Co3O4(111)高約四倍，比Fe3O4(111)高約九倍，其活性嚴重依賴于Co/Fe濃度比。在反應條件下，三種氧化物都被氫氧化物覆蓋，對于CoFe2O4(111)，通過部分Fe溶解，氫氧化物的Fe/Co濃度比得到穩(wěn)定。
總之，本文的研究結(jié)果表明，Co3O4(111)和Co1+δFe2-δO4(111)在OER條件下基本穩(wěn)定，但Fe3O4(111)部分轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎溅?Fe2O3相。Co1+δFe2-δO4(111)是最優(yōu)異的催化劑，在OER過程中，Co1+δFe2-δO4(111)通過溶解失去了Fe，最終達到了一個穩(wěn)定的低Fe濃度，而Co的溶解則沒有被檢測到。OER 2小時后，Co3O4(111)表面出現(xiàn)顆粒狀結(jié)構(gòu)，而Co1+δFe2-δO4(111)和Fe3O4(111)的表面結(jié)構(gòu)幾乎沒有變化。
雖然Co3O4(111)最初具有較高的OER活性，但隨著OER的進行而降低，本文將其歸因于：催化劑引入到包含具有更多還原Co2+位點和羥基的電解質(zhì)后形成的表面層的較高活性。相反，Co1+δFe2-δO4(111)活性在OER條件下升高，在還原條件下降低，本文將這一發(fā)現(xiàn)歸因于Fe表面濃度升高鈍化表面。綜上所述，本文的研究結(jié)果將促進未來Co基OER電催化劑的發(fā)展。
Comparative Study of Co3O4(111), CoFe2O4(111), and Fe3O4(111) Thin Film Electrocatalysts for the Oxygen Evolution Reaction, Nature Communications, 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-40461-0.
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40461-0.
