氫能作為清潔能源的代表，正成為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要路徑。其中，電解水制氫因其綠色、可持續(xù)的特性備受關(guān)注，但長期以來受限于析氧反應(yīng)（OER）的高能耗和高成本?？蒲腥藛T在尖晶石型金屬氧化物催化劑研究中取得多項重要進(jìn)展，為提高電解水效率提供了新方向。

廣州大學(xué)劉兆清教授課題組撰寫評述總結(jié)了近年來尖晶石型電催化劑的研究進(jìn)展，介紹了析氧反應(yīng)機(jī)理，包括常規(guī)吸附質(zhì)演化機(jī)制和晶格氧演化機(jī)制，重點(diǎn)討論了優(yōu)化尖晶石電催化劑電化學(xué)性能的改性策略，如：位點(diǎn)調(diào)控、應(yīng)變調(diào)控和表面重構(gòu)等。最后，探討了當(dāng)前電催化劑在基礎(chǔ)研究和工業(yè)化應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)，并對未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

圖文導(dǎo)讀

圖1不同的OER反應(yīng)路徑。(a) 堿性體系下的吸附質(zhì)演化機(jī)制。不同活性中心的晶格氧氧化機(jī)制：(b) 空穴位點(diǎn)機(jī)制，(c) 單金屬位點(diǎn)機(jī)制，(d) 雙金屬位點(diǎn)機(jī)制。

圖2尖晶石四面體位調(diào)控策略。(a) CoMoO4中引入氧空位示意圖。(b) 四面體與八面體相互作用示意圖。(c) 計算得到的CoAl2O4、ZnCo2O4和Co3O4的pDOS; (d) 八面體TM、四面體TM和O的能帶中心; (e) ZnCo2O4、Co3O4和CoAl2O4中Zn、Co、Al和O的計算電荷值。

圖3尖晶石八面體位調(diào)控策略。(a) MT與MO競爭誘導(dǎo)的不對稱MT–O–MO主鏈，以及M–O鍵斷裂后組分參與反應(yīng)循環(huán)示意圖。(b) 八面體高占位的泡沫鐵負(fù)載NiFe2O4合成示意圖。(c) SO42?-NiFe2O4-Vo催化劑提升OER活性示意圖。(d) NiFe2O4，NiFe2O4-Vo，SO42?-NiFe2O4以及SO42?-NiFe2O4-Vo催化劑活性對比。

圖4尖晶石氧位點(diǎn)調(diào)控策略。(a) ZnCo2O4和ZnCo2O4?xFx的能帶圖和態(tài)密度示意圖。(b) Vo-Co3O4HNCs掃描電子顯微鏡圖。 (c) 添加和不添加TMACl溶液中，1.60 V時Vo-Co3O4HNCs和對照樣品的電流密度對比。(d) Vo-Co3O4HNCs和對照樣品在0.5 mol L?1 H2SO4中的計時電位曲線。

圖5尖晶石晶格應(yīng)變工程。(a, b) 具有最佳應(yīng)變NiFe2O4-S-2和(c, d)緩和應(yīng)變NiFe2O4的高分辨率透射電子顯微鏡及幾何相分析圖。(e) NiFe2O4-S-2樣品的極化曲線。(f) NiFe2O4-S-2經(jīng)過250 h OER的計時電位分析。(g) 含OER活性位點(diǎn)的高熵氧化物體系示意圖(Cr, Co, Mn, Ni, Fe標(biāo)記為A至E)。(h) 混合金屬在高熵氧化物表面不同活性部位的相對混合焓。(i) 高熵氧化物體系OER活性火山圖。

圖6尖晶石表面重構(gòu)。(a) (Co1?xLix)Co2O4尖晶石中MO4和MO6單元金屬氧共價性(x = 0、0.25、0.5、0.75和1)。(b) 原始以及循環(huán)后Co3O4和LiCo2O4尖晶石的高分辨率透射電子顯微圖像。(c) 循環(huán)后尖晶石LixCo3?xO4樣品的Tafel圖。(d) Co2FexV1?xO4的制備流程示意圖。(e, f) 過電位與CV活化的關(guān)系: 10~100。(g) 電解液中V析出濃度。(h) 在1 mol L?1 KOH, 15000 s時, Co2FeO4和Co2Fe0.25V0.75O4的時間變化的電位曲線。

文章信息

肖抗, 劉兆清. 尖晶石析氧催化劑的挑戰(zhàn)、應(yīng)用與調(diào)控策略. 科學(xué)通報, 2025, 70(18): 2966–2980

Xiao K, Liu Z Q. Regulation strategy of spinel OER electrocatalyst (in Chinese). Chin Sci Bull, 2025, 70(18): 2966–2980

doi: 10.1360/TB-2024-0633

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