万事平台材料基因組工程研究院馮淩燕教授課題組近日在《Advanced Functional Materials》（中科院一區Top,最新影響因子18.808）上發表題為“Construction of CoNiFe Trimetallic Carbonate Hydroxide Hierarchical Hollow Microflowers with Oxygen Vacancies for Electrocatalytic Water Oxidation”的研究論文。材料基因組工程研究院2019級博士生劉藝昊為第一作者，馮淩燕教授和復旦大學車仁超教授為共同通訊作者，万事平台為第一署名單位。
開發高效🍙、穩定和低成本的析氧反應（OER）催化劑是推動清潔能源器件發展的關鍵之一。其中，碳酸根為層間陰離子的過渡金屬氫氧化物具有製備簡單以及層間結構可調等特點，在OER中展現出較大潛力。但這類材料在合成過程中易組裝團聚，不利於活性位點暴露，且位點本征活性較低。因此，尋找一種簡單且可擴展的策略協同提升材料的OER性能🏊♂️，並進一步闡明其催化機理成為該領域一個重要的挑戰🦔。
圖1 不同合成步驟下的樣品形貌以及對應樣品的OER反應示意圖
團隊通過順序模板法構建了富含氧缺陷且具有中空微米花結構的CoNiFe碳酸根插層氫氧化物（CN-Fe HMs）（圖1）。材料具有大的比表面積（388.9 m2g-1）🤵♀️，可以提供豐富的活性位點☝🏿，同時促進電解液擴散。通過同步輻射表征發現（圖2），Fe摻雜不僅調控了催化劑的局域電子結構，增加了材料內部高價金屬物種含量👰🏼♀️，同時誘導產生了豐富的氧缺陷，有利於加快電荷轉移🥩🤚🏿。
圖2 材料的（a）Co🙅🏿，（b）Ni和（c）Fe的K邊X射線吸收近邊結構譜圖🥷🏿。（d）對應擬合計算出的Co和Fe價態。材料的（e）Co和（f）Ni的K邊傅裏葉變換擴展X射線吸收精細結構譜圖
DFT理論計算表明，Fe摻雜和氧缺陷的引入協同優化了初始材料的d帶中心位置，使之遠離費米能級📢，從而削弱了含氧反應中間體與CN-5Fe HM表面之間的結合能力，降低了OOH*脫附的能壘。實驗測試發現，得益於中空結構🚧、Fe摻雜和氧缺陷的協同效應💲，CN-5Fe HMs催化劑具有優異的堿性OER活性（258 mV@10 mA cm-2, Tafel slope = 48.7 mV dec-1）。此外🪞，在2000次CV循環和20 h穩定性測試後，電催化活性以及形貌結構完整性得到很好的保持。同時🙎🏽🤷🏿♂️，該順序模板法具有普適性‼️，可同時製備其他具有相同結構的三元金屬氫氧化物🎟，為多元中空結構材料的構築及其在能量儲存/轉化及其他領域中的應用提供了新的思路。
上述工作得到了國家自然科學基金（面上）、中德合作交流項目、上海高校特聘教授（東方學者）🧑🦲、上海自然科學基金、上海啟明星人才計劃等項目的資助，第一作者劉藝昊同時獲得國家獎學金和研究生校長獎學金等系列榮譽。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202200726
