威斯康辛麥迪遜大學的金松、哈爾濱工業大學的宋波等人通過引入CeO2納米晶，形成多相Co3O4/CeO2納米復合材料，有效增強了Co3O4的本征催化活性，從而建立了Co3O4/CeO2納米復合材料作為酸性OER催化劑的體系。由于其優異的氧化還原性能和儲氧能力，CeO2在熱催化中已被證明是一種助催化劑。雖然文獻已報道CeO2被引入許多電催化體系后可以提高各種電催化反應的整體性能，包括堿性OER，但它如何影響催化活性仍有爭議，其對電催化劑氧化還原性能的貢獻尚未討論。本文研究表明，CeO2的引入(即在沒有混合相的雙組分納米復合材料中，純相CeO2納米晶分散在純相Co3O4晶體之間)顯著抑制了酸性介質中Co3O4的OER預氧化還原特性，表明二聚CoIVCoIV中間體發生失穩。進一步的電化學測試結合結構表征，包括動力學同位素效應(KIE)、pH和溫度依賴性研究、原位拉曼和非原位XAS分析，揭示了Co3O4/CeO2的催化性能增強是由于CeO2改變了Co3O4的電子結構以及局域成鍵環境。計時電位測定和ICP-MS分析表明，活性更高的Co3O4/CeO2表現出與Co3O4相當的酸性OER穩定性與更好的開路穩定性，從而打破了活性/穩定性的權衡。相關工作以《Modifying redox properties and local bonding of Co3O4 by CeO2 enhances oxygen evolution catalysis in acid》為題在《Nature Communications》上發表論文。圖文介紹
圖1. Co3O4納米結構及Co3O4/CeO2納米復合材料的結構表征圖2. 在0.5 M H2SO4溶液中，在FTO電極上，Co3O4和Co3O4/CeO2(10 at% Ce)催化劑的電化學測試圖3. 在FTO電極上，Co3O4和Co3O4/CeO2催化劑的酸性OER進行了pH依賴性、動力學同位素效應(KIE)和表觀活化能(Eapp)分析圖4. 在0.5 M H2SO4溶液中，對Co3O4和Co3O4/CeO2催化劑進行OER測試前后的XAS表征，揭示兩種催化劑的結構和氧化態差異圖5. 在0.5 M H2SO4溶液中，對Co3O4和Co3O4/CeO2催化劑在碳紙電極上進行原位拉曼表征，揭示催化劑的結構演變總結展望
綜上所述，本文成功報道了Co3O4/CeO2納米復合材料可作為在酸性介質中OER電催化劑。Co3O4/CeO2在FTO電極和碳紙電極上的過電位分別為~423 mV@10 mA cm-2和347 mV@10 mA cm-2。進一步的電化學測試結合結構表征，包括動力學同位素效應(KIE)、pH和溫度依賴性研究、原位拉曼和非原位XAS分析，始終揭示催化劑在OER過程的微觀結構狀態及其變化。CeO2納米晶的引入改變了Co3O4中的電子結構，并創造了一個更有利的局部鍵合環境，使得CoIII表面物種很容易被氧化為OER活性CoIV物種，并在電化學條件下抑制了Co3O4的電荷積累。這是繞過Co3O4中電位決定氧化還原步驟的關鍵，有效促進催化劑的表面大量重構，從而提高酸性OER活性。
