近年來(lái),，隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出,，能源轉(zhuǎn)型的步伐進(jìn)一步加快，氫能得到了前所未有的關(guān)注,。相比傳統(tǒng)化石能源,，氫能具有高熱值、低污染,、來(lái)源廣和轉(zhuǎn)換靈活等優(yōu)勢(shì),，是未來(lái)能源的重要發(fā)展方向之一。目前國(guó)內(nèi)外制氫方式主要是通過(guò)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(wèn)題。近年來(lái),，電解水制氫由于具有產(chǎn)品純度高,、無(wú)污染、生產(chǎn)靈活等特點(diǎn)，被看作是未來(lái)最有發(fā)展?jié)摿Φ木G色氫能供應(yīng)方式之一,。電解水過(guò)程由陰極析氫反應(yīng)（HER）和陽(yáng)極析氧反應(yīng)（OER）兩個(gè)半反應(yīng)組成,，其中均涉及到多級(jí)電子轉(zhuǎn)移和質(zhì)子耦合過(guò)程，緩慢的動(dòng)力學(xué)過(guò)程使得水的實(shí)際分解電壓遠(yuǎn)高于理論分解電壓,。在電解水過(guò)程中恰當(dāng)?shù)厥褂么呋瘎┦墙档头磻?yīng)過(guò)電位,、提高能量轉(zhuǎn)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(jià)格昂貴且穩(wěn)定性較差等問(wèn)題,，大大限制了其實(shí)際應(yīng)用,。因此，開(kāi)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(wú)機(jī)非金屬材料，因具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì),，在各個(gè)領(lǐng)域展示出巨大的潛力,，近年來(lái)得到了人們的廣泛關(guān)注。鈣鈦礦型氧化物的結(jié)構(gòu)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(guò)渡金屬離子）,，由于其具有良好的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此當(dāng)A,、B位元素被不同離子半徑,、價(jià)態(tài)及電負(fù)性的金屬離子取代時(shí)，仍能保持完整的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu),，而物理化學(xué)性質(zhì)會(huì)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(guān),，使摻雜后的鈣鈦礦氧化物具有較高的電導(dǎo),，能夠顯著提高其電催化活性。
近日,，齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料科學(xué)與工程學(xué)部先進(jìn)材料計(jì)算與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦氧化物電解水制氫方面取得了一定的研究進(jìn)展,。團(tuán)隊(duì)通過(guò)改良的溶膠-凝膠策略設(shè)計(jì)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(guò)調(diào)整Fe元素和Mo元素的含量,，獲得最佳的Mo摻雜比例,。結(jié)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(guò)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(shí)而不會(huì)出現(xiàn)明顯的衰減,。這項(xiàng)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(shí)為開(kāi)發(fā)雙功能電催化劑以實(shí)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(jié)構(gòu)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(guān)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(guó)際著名期刊《Electrochimica Acta》（IF：6.6）上在線發(fā)表。齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料科學(xué)與工程學(xué)部2021級(jí)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(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金和濟(jì)南市人才發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目等的支持,。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.electacta.2024.144323
