由可持續(xù)電能驅(qū)動(dòng)的水分解為生產(chǎn)具有高能量密度的綠色氫提供了一種有效的策略。與堿性水電解裝置相比，質(zhì)子交換膜水電解槽(PEMWEs)具有結(jié)構(gòu)緊湊、理論電流密度高、能源效率高和氣體純度高等明顯優(yōu)勢(shì)。然而，陽(yáng)極處的析氧反應(yīng)(OER)動(dòng)力學(xué)緩慢，催化劑酸腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致PEMWE活性和穩(wěn)定性不足。

目前，只有少數(shù)貴金屬基催化劑(如IrO₂和RuO₂)被用于酸性水氧化，但它們的高成本和低豐度嚴(yán)重限制了PEMWEs的廣泛應(yīng)用。為克服上述問(wèn)題，目前迫切需要設(shè)計(jì)并開發(fā)出有效的非貴金屬基電催化劑用于酸性O(shè)ER。

近日，華中科技大學(xué)李箐和王譚源等制備了一種封裝在竹狀碳納米管中的非晶態(tài)Mo-Ce氧化物負(fù)載的單原子Co催化劑(Co_SA-MoCeO_x@BCT)，并將其作為PEMWEs的高性能非貴金屬OER催化劑。

原位拉曼光譜和XAS表征結(jié)果表明，在低電位下Mo-Ce氧化物載體可以促進(jìn)Co_SA-MoCeO_x@BCT中Co²⁺-O位點(diǎn)向Co³⁺-O位點(diǎn)的原位轉(zhuǎn)化，它可以有效地調(diào)節(jié)具有豐富氧空位的催化劑的晶格氧活性，生成雙金屬位點(diǎn)LOM通路，打破尺度關(guān)系，顯著提高材料的固有OER活性。此外，BCT對(duì)Co_SA-MoCeO_x的限制效應(yīng)可以減少催化劑與酸性電解質(zhì)的直接接觸，提高其耐蝕性。

性能測(cè)試結(jié)果顯示，在0.5 M H₂SO₄溶液中，優(yōu)化的Co_SA-MoCeO_x@BCT催化劑在10 mA cm^?2電流密度下的OER過(guò)電位僅為239 mV，并且基于該催化劑的PEMWEs能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)60小時(shí)，優(yōu)于大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的非貴金屬電催化劑。

此外，密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，在雙金屬位點(diǎn)LOM過(guò)程中，單原子Co位點(diǎn)可以將OER的能壘從1.60 eV降低到1.08 eV，從而促進(jìn)OER動(dòng)力學(xué)；同時(shí)，Co位點(diǎn)與Mo-Ce氧化物的強(qiáng)相互作用使Co_SA-MoCeO_x@BCT中Mo原子的空位能從4.70 eV增加到8.72 eV，從而進(jìn)一步降低了Mo原子的溶解，提高了材料的穩(wěn)定性。總的來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)高效的低過(guò)電位酸性水氧化非貴金屬電催化劑提供重要的指導(dǎo)。

Single-atom Co dispersed on polyoxometalate derivatives confined in bamboo-like carbon nanotubes enabling efficient dual-site lattice oxygen mediated oxygen evolution electrocatalysis for acidic water electrolyzers. Energy & Environmental Science, 2024. DOI: 10.1039/D4EE00173G