我区科研团队在电解水制氢催化领域取得重要研究进展

近日，内蒙古大学王勤教授科研团队在电解水制氢催化领域取得重要研究成果，该研究以“杂原子取代和空位工程协同提升尖晶石CoFe2O4的电催化性能”（Unraveling the Synergistic Effect of Heteroatomic Substitution and Vacancy Engineering in CoFe2O4 for Superior Electrocatalysis Performance）为题，发表在国际纳米材料领域顶级学术期刊《纳米快报》（Nano Letters），并被选为封面论文重点介绍。该期刊是美国化学会（ACS）旗下顶级学术期刊（影响因子11.189），在国际纳米材料化学领域具有权威影响力。

该研究得到国家自然科学基金、内蒙古自然科学基金杰出青年培育基金、内蒙古自然科学基金重大项目以及内蒙古自治区青年科技领军人才等项目的支持。 

Nano Letters以封面论文形式报道该研究成果

电解水制氢技术是目前工业化制备高纯氢气的重要手段之一。然而，阳极析氧反应的过电位较高、动力学相对缓慢，需要高效的电催化剂加速该类反应的动力学，从而达到在较小的过电位下获得大的电流密度。目前，商业电催化剂仍以贵金属材料为主，但由于储量低、价格昂贵，极大地限制了其大规模商业化应用。因此，开发价格低廉、高效且耐用的非贵金属电催化剂加速催化反应动力学变得至关重要。尖晶石材料具有丰富的元素组成和独特的电子结构，通过控制反应条件可以对其物相、组成、结构、形貌和缺陷等进行有效调控。这种结构可调的多金属氧化物具有良好的导电性，已逐步发展成为新一代氧析出反应电催化剂的候选材料，其电催化活性可与贵金属相媲美。

有鉴于此，科研团队在前期工作基础上，尝试将一系列过渡金属引入到CoFe2O4的四面体A位（Zn2+, Mn2+, Fe2+, Cd2+）和八面体B位（Mn3+, Cr3+, Sn4+, Cu2+），调变其电子结构和电催化性能。X射线吸收光谱和理论计算结果表明，Cr3+可以精确地掺杂到八面体B位取代部分Fe3+，同时诱导部分Co空位缺陷生成。通过S2-的离子交换反应会生成Fe-S等新的催化活性位点，使得尖晶石四面体A位发生明显的结构畸变。四面体Fe的局域几何结构和电子结构变化导致*OH中间体完全偏离y轴平面，这种形变会使*OOH吸附明显增强，进而提升电催化性能。该材料表现出优异的氧析出反应性能，其过电位仅为250 mV，是目前性能最优的尖晶石催化材料。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.1c04425