表面氯掺杂钙钛矿型钴酸镧催化水氧化

摘要

随着化石燃料的快速消耗和由此产生的环境问题,研究人员正在努力寻找可持续的替代能源和能源储存转换方法.电解水所制备的氢气是一种最佳的能量载体.然而,阳极析氧反应(OER)的缓慢动力学是限制电催化水分解转化效率和阻碍其广泛应用的瓶颈之一.贵金属氧化物IrO_(2)/RuO_(2)和贵金属铂基材料被认为是较好的OER和氢析出反应(HER)电催化剂,但资源稀缺和高成本限制了其广泛应用.与其他催化材料相比,钙钛矿型氧化物具有成本低廉、易于大规模制备等特点.钙钛矿结构通过将缺陷引入A、B或氧位点而表现出可调节和可变的特性.但人们对氯掺杂钙钛矿作为有效的OER催化剂关注较少.在氧位点掺杂一些非氧阴离子有时会产生特殊性质,从而提高催化剂催化性能.卤素相对于氧的电负性较低,掺杂后可使金属-氧共价性质增强,这有利于电催化过程中的电荷转移.氯取代可以降低电化学活性电位从而触发原位形成氯掺杂金属(氧化物)氢氧化物相.与此相反,无氯催化材料需要更高的电化学活性电位来引发或者更多的循环才能完成表面重构,从而导致OER催化性能较差.因此,对于实现高效电催化水分解,合理控制原位形成催化剂的催化活性表面仍然是一个挑战.本文提出了一种阳离子氧化方法,可以调节原位催化剂的浸出并产生自驱动表面重构的La-OH用于OER反应.通过甘氨酸螯合的合成策略,利用甘氨酸经过水热反应螯合金属离子形成前驱体,之后高温合成空心立方体型的氯掺杂的LaCoO_(3)(Cl-LaCoO_(3))纳米晶体,并采用X射线粉末衍射和Cs校正扫描透射电子显微镜来表征.Cl-LaCoO_(3)纳米晶体在10 mA cm^(–2)的电流密度下表现出342 mV的超低过电位和76.2 mV dec_(–1)的Tafel斜率.OER过程中形成的La-OH结构有利于提高材料的结构稳定性和电催化活性,氯的掺杂也有助于提高材料的电催化活性.此外,原位拉曼光谱、X射线光电子能谱等进一步表明了由于稀土镧和氧之间的强相互作用,氯溶解并产生自驱动的La-OH结构可以显著提高材料的催化稳定性.综上,本文为设计掺杂型钙钛矿纳米晶体的高效电催化剂提供了新策略,并为可再生能源系统的应用提出了更多可能性.