近日，东莞理工学院陶瓷与复合材料团队联合湖南师范大学、华南理工大学等单位，在高电流密度碱性析氧反应电催化研究中取得新进展。研究团队通过钨介导的界面电子调控，协同调节催化剂动态重构和界面电荷分布，使非贵金属催化剂在2 A cm-2的大电流密度下连续稳定运行250小时。相关成果在线发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。
原位光谱揭示Fe/Ni氧羟化物工作相形成及W-O配位保留。研究团队供图，下同
论文第一作者、东莞理工学院材料科学与工程学院博士后廖礼玲介绍，析氧反应是碱性电解水制氢的关键阳极反应，其缓慢的多电子转移动力学直接影响电解效率。Fe、Ni基非贵金属催化剂在阳极氧化过程中通常会发生表面重构，形成真正参与反应的高价态氧羟化物。然而，在安培级大电流密度下，持续强氧化、活性组分溶出、界面失稳和气泡覆盖等因素，又容易造成催化性能衰减。“关键并不是简单阻止催化剂重构，而是如何利用重构，并稳定重构后的活性状态。”廖礼玲说。
同步辐射XAS表征Fe与W的局域配位结构演化。
针对这一问题，研究团队在三维泡沫镍上原位构筑Fe3O4/WOx纳米片前驱体，并通过电化学活化诱导阳极重构。研究发现，重构后Fe、Ni组分形成高价态氧羟化物，成为主要工作相；部分WOx则在重构后保留下来，其稳定的W-O配位环境可参与界面电荷重新分布，调节邻近Fe、Ni位点的电子结构及含氧中间体吸附。
为弄清催化剂在工作状态下“活性中心究竟如何演变”，团队利用原位拉曼光谱、原位及准原位X射线光电子能谱、同步辐射X射线吸收谱等手段跟踪其结构演化。结果表明，随着阳极电位升高，Fe、Ni逐步演化为FeOOH、NiOOH类高价氧羟化物，并在析氧区间保持稳定；与此同时，W-O配位在重构及持续运行过程中仍显著保留。实验与理论计算进一步表明，残余WOx并非简单的“惰性残留物”，而是发挥界面电子调控作用。
W-FeOOH/WOx在高电流密度下的OER性能与稳定性。
电化学性能测试结果表明，该催化剂在1 M KOH中仅需300 mV和340 mV过电位，即可分别达到1000 mA cm-2和2000 mA cm-2电流密度，且能够在2000 mA cm-2下连续运行250小时，电压衰减速率约为0.08 mV h-1，并保持接近100%的产氧法拉第效率。
论文通讯作者、东莞理工学院材料科学与工程学院教授陈德良表示，该研究将高电流析氧过程中的动态重构由被动发生的材料变化转化为可调控的界面设计维度，明确了重构工作相与电子调控相的功能分工，为理解非贵金属催化剂在强氧化条件下的活性-稳定性关系提供了新的机制认识。
密度泛函理论揭示界面电荷再分布与关键含氧中间体吸附调控机制。
陈德良指出，目前研究主要验证了催化剂在安培级电流密度下的界面重构机制和电极稳定性。下一步还需在更大面积电极、实际碱性电解槽以及更接近工业运行条件的环境中，进一步检验这一设计策略的适用性和稳定性。
相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.77546
版权声明：凡本网注明“来源：中国科学报、科学网、科学新闻杂志”的所有作品，网站转载，请在正文上方注明来源和作者，且不得对内容作实质性改动；微信公众号、头条号等新媒体平台，转载请联系授权。邮箱：shouquan@stimes.cn。
