近年來,，隨著我國“雙碳”目標的提出,，能源轉型的步伐進一步加快，氫能得到了前所未有的關注,。相比傳統(tǒng)化石能源,，氫能具有高熱值,、低污染、來源廣和轉換靈活等優(yōu)勢,，是未來能源的重要發(fā)展方向之一,。目前國內(nèi)外制氫方式主要是通過煤炭、石油,、天然氣等傳統(tǒng)化石能源重整制取,，然而該方式存在溫室氣體排放、能耗大,、環(huán)境污染等問題,。近年來，電解水制氫由于具有產(chǎn)品純度高,、無污染,、生產(chǎn)靈活等特點，被看作是未來最有發(fā)展?jié)摿Φ木G色氫能供應方式之一,。電解水過程由陰極析氫反應（HER）和陽極析氧反應（OER）兩個半反應組成,，其中均涉及到多級電子轉移和質(zhì)子耦合過程，緩慢的動力學過程使得水的實際分解電壓遠高于理論分解電壓,。在電解水過程中恰當?shù)厥褂么呋瘎┦墙档头磻^電位,、提高能量轉換效率的有效途徑之一。目前,，貴金屬Pt基和Ir/Ru基材料是最有效的析氫和析氧催化劑,，然而存在產(chǎn)量稀少、價格昂貴且穩(wěn)定性較差等問題,，大大限制了其實際應用。因此,，開發(fā)高催化活性,、高穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑具有十分重要的意義。
鈣鈦礦型氧化物作為一種新型的無機非金屬材料,，因具有獨特的晶體結構和物理化學性質(zhì),，在各個領域展示出巨大的潛力，近年來得到了人們的廣泛關注,。鈣鈦礦型氧化物的結構通式為ABO3（其中A位元素通常為堿土或稀土金屬離子,，B位元素通常為過渡金屬離子），由于其具有良好的晶體結構穩(wěn)定性，因此當A,、B位元素被不同離子半徑,、價態(tài)及電負性的金屬離子取代時，仍能保持完整的鈣鈦礦型結構,，而物理化學性質(zhì)會發(fā)生明顯的變化,。特別地，由于B位離子的選擇與σ*軌道占據(jù)密切相關,，使摻雜后的鈣鈦礦氧化物具有較高的電導,，能夠顯著提高其電催化活性。
近日,，齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）材料科學與工程學部先進材料計算與設計團隊在鈣鈦礦氧化物電解水制氫方面取得了一定的研究進展,。團隊通過改良的溶膠-凝膠策略設計并制備了一系列B位摻雜的SrCo0.5Fe0.5-xMoxO3-δ（x=0，0.05,，0.10,，0.15）鈣鈦礦氧化物，通過調(diào)整Fe元素和Mo元素的含量,，獲得最佳的Mo摻雜比例,。結果表明，SrCo0.5Fe0.4Mo0.1O3-δ (SCFM10)表現(xiàn)出最佳的雙功能水分解電催化活性,，在-10 mA cm-2和10 mA cm-2下的HER和OER過電位分別為~200 mV和~310 mV,，在雙電極電解槽中僅需要1.68 V即可產(chǎn)生10 mA cm-2的電流密度，與其他的金屬氧化物相比,，其展示出優(yōu)異的HER和OER活性,。此外，SCFM10展示出出色的穩(wěn)定性,，可以連續(xù)工作100小時而不會出現(xiàn)明顯的衰減,。這項研究表明摻雜Mo元素是制備高效電解水鈣鈦礦氧化物催化劑的有效策略，同時為開發(fā)雙功能電催化劑以實現(xiàn)高效,、合理的電解水制氫提供了新的思路,。
圖1 SrCo0.5Fe0.5-xMoxO3-δ鈣鈦礦氧化物的合成路線
圖2 SrCo0.5Fe0.5-xMoxO3-δ鈣鈦礦氧化物的結構與形貌表征
圖3 SrCo0.5Fe0.5-xMoxO3-δ鈣鈦礦氧化物的HER性能表征
圖4 SrCo0.5Fe0.5-xMoxO3-δ鈣鈦礦氧化物的OER性能表征
圖5 SrCo0.5Fe0.4Mo0.1O3-δ鈣鈦礦氧化物的整體水分解性能表征
相關研究成果以“Mo-doped SrCo0.5Fe0.5O3-δ perovskite oxides as bifunctional electrocatalysts for highly efficient overall water splitting”為題在國際著名期刊《Electrochimica Acta》（IF：6.6）上在線發(fā)表。齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）材料科學與工程學部2021級研究生張文超為第一作者,，郭恩言副教授和司聰慧副教授為共同通訊作者,。該研究得到國家自然科學基金、山東省自然科學基金和濟南市人才發(fā)展專項資金項目等的支持,。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.electacta.2024.144323
