近日,美國威斯康辛大學和哈爾濱工業(yè)大學研究者共同設(shè)計出了新型的納米氧化鈰材料,即氧化鈷(Co3O4)與二氧化鈰(CeO2)組成的複合材料,能實現(xiàn)高效酸性析氧(OER)催化性能。該研究成果已以“Modifying redox properties and local bonding of Co3O4 by CeO2 enhances oxygen evolution catalysis in acid”爲題發(fā)表在Nature Communications上。
據(jù)悉,質(zhì)子交換膜分解水裝置在強酸性條件下工作,比在鹼性條件下具有更好的電導率,更高的工作電流以及更低的氣體交換率,因而更加適合大規(guī)模電解水産氫産氧。但是,現(xiàn)有的催化劑銥和釕等貴金屬化合物存在儲量低且價格高昂的不足。因此利用地殼儲量豐富的非貴金屬製備廉價高效的酸性O(shè)ER催化劑是解決當前技術(shù)瓶頸的重要手段。
Co3O4/CeO2納米複合材料的出現(xiàn),有望解決上述的難題。研究者利用先電化學沉積後退火的方法,在FTO和碳紙上製備了該複合材料,幷通過XRD和TEM等手段確認CeO2(~5nm)與Co3O4(~9.7nm)充分混合且形成緊密結(jié)合的界面,從而擴大兩相界面處的電子調(diào)控作用,改變其局域結(jié)構(gòu)特性,進而促使酸性O(shè)ER催化性能提升。
相比于Co3O4,Co3O4/CeO2納米複合材料的催化性能有顯著提升,當電流密度爲10mA/cm2時過電位僅爲423mV,比Co3O4降低約84mV。當改用多孔碳布爲襯底時,過電位將進一步降低爲347mV,是目前最好的非貴金屬酸性O(shè)ER催化劑之一。
該項研究不僅利用儲量豐富的過渡金屬設(shè)計出了高效的酸性析氧催化劑,也爲其它反應(yīng)的催化劑設(shè)計提供的新的策略。