近日，在國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，基礎(chǔ)與前沿研究院張永起研究員團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》發(fā)表題為“Dual Doping of N and F on Co?O? to Activate the Lattice Oxygen for Efficient and Robust Oxygen Evolution Reaction”的研究論文。2021級(jí)博士研究生李晨為論文第一作者，張永起研究員為論文共同通訊作者，電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院第一單位。

析氧反應(yīng)（OER）作為水電解制氫、金屬-空氣電池等清潔能源技術(shù)的核心半反應(yīng)，其動(dòng)力學(xué)遲緩和多步電子轉(zhuǎn)移過程的復(fù)雜性嚴(yán)重制約著能量轉(zhuǎn)換效率。盡管銥、釕等貴金屬基催化劑展現(xiàn)出卓越活性，但稀缺性和高昂成本極大限制了其規(guī)?；瘧?yīng)用。以尖晶石型四氧化三鈷（Co?O?）為代表的非貴金屬氧化物雖具有成本優(yōu)勢(shì)，卻受限于傳統(tǒng)吸附演化機(jī)制（AEM）——該路徑因*OOH/*O中間體的線性縮放關(guān)系存在370 mV的理論過電位極限，導(dǎo)致實(shí)際催化性能難以突破。

近年來，通過異質(zhì)原子摻雜調(diào)控金屬-氧鍵共價(jià)性，誘導(dǎo)OER路徑從AEM向晶格氧機(jī)制（LOM）轉(zhuǎn)變的策略備受關(guān)注。LOM通過直接耦合表面吸附氧與晶格氧形成O-O鍵，能有效規(guī)避傳統(tǒng)路徑的能壘限制。然而，這種策略面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：摻雜原子鄰近的晶格氧通過LOM路徑同步參與反應(yīng)，引發(fā)局部結(jié)構(gòu)崩塌，導(dǎo)致活性位點(diǎn)流失和催化劑失活。如何實(shí)現(xiàn)晶格氧活化的同時(shí)維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，成為該領(lǐng)域亟待攻克的關(guān)鍵難題。

張永起研究員團(tuán)隊(duì)一直致力于等離子體技術(shù)在新型能源材料的應(yīng)用研究以及個(gè)性化等離子體裝備的開發(fā)。經(jīng)過近五年的研究探索，該團(tuán)隊(duì)最近利用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一體化等離子體裝置（圖1），首次將固體氟化銨（NH4F）作為等離子體源，成功地將氮（N）和氟（F）引入至Co?O?納米線中（圖2）, 通過氮（N）和氟（F）雙摻雜策略，成功激活Co?O?的晶格氧機(jī)制（LOM），顯著提升OER性能。

圖1 一體化等離子體設(shè)備模型圖

圖2 N,F-Co?O?的合成示意圖及成分與結(jié)構(gòu)

團(tuán)隊(duì)還利用拉曼光譜、同步輻射譜學(xué)等先進(jìn)表征技術(shù)證實(shí)了N和F的協(xié)同作用顯著增強(qiáng)了鈷-氧鍵的共價(jià)性。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，相較于單摻雜及未摻雜的原樣，N,F-Co?O?析氧催化劑展現(xiàn)出更優(yōu)異的OER性能，10 mA cm?2電流密度下的過電勢(shì)僅為254 mV。pH依賴性、化學(xué)探針和原位電化學(xué)微分質(zhì)譜等一系列測(cè)試證明了N和F摻雜的Co?O?在OER中遵循晶格氧機(jī)制。更為重要的是，該催化劑在20、150和400 mA cm?2大電流下保持顯著穩(wěn)定性。此外，該材料在含0.5 M NaCl和1 M KOH混合電解液中僅需285 mV過電勢(shì)即可達(dá)到20 mA cm?2，且在整體水分解體系中表現(xiàn)卓越。該研究為OER機(jī)制提供了深刻理解，并為提升尖晶石氧化物電催化活性提供了關(guān)鍵策略。