在電催化劑中適當引入氧空位(Ov)可以獲得更高的催化活性并提高電導率。基于此,復旦大學方曉生教授(通訊作者)等人分別在不同氣氛(空氣、N2和NaBH4/N2)下對金屬有機框架(MOF)前驅體進行熱處理,制備了三種不同成分的CoFe雙金屬氧化物(CoFeOx-A/N/H)。
結果表明CoFeOx-H比CoFeOx-A和CoFeOx-N表現出更優異的OER電催化活性和更快速的反應動力學,對配位環境的形態和結構差異以及變化進行了深入的探究。
采用DFT計算方法進一步揭示了OER電催化活性的起源。分別構建了三種異質結構CO3O4/Fe3O4 (CoFeOx-A)和CoO/CoFe2O4 (CoFeOx-N)和CoO/CoFe2O4-Ov (CoFeOx-H),計算結果表明*O → *OOH為OER反應的速率決定步驟,CoFeOx-A、CoFeOx-N和CoFeOx-H的ΔG分別為2.75 eV、1.92 eV和1.45eV,說明CoFeOx-H具有最好的OER活性。
這種顯著的能量差異可以歸因于在OER過程中對吸附金屬位點的電子結構的有效調制。
電荷密度差分圖表明,引入大量Ov后,活性位點(虛線圓)的電荷密度減小。CoFeOx-H明顯的電子損失表明,周圍Fe原子的氧化態有效增加,導致OER活性提高。更有趣的是,與CoFeOx-N相比,轉移到*O的電子也增加了,這也有利于反應能壘的降低。
計算得到的CoFeOx-A、CoFeOx-N和CoFeOx-H上活性位點的d帶中心分別為-1.16 eV、-1.36 eV和-1.57eV,較低的d帶中心對*O中間體的吸附可能更弱、更合適,從而顯示出相對較高的OER活性。
Defect-Induced Atomic Arrangement in CoFe Bimetallic Heterostructures with Boosted Oxygen Evolution Activity. Small, 2022, DOI: 10.1002/smll.202205092.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202205092.
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