川大/内大EES:探究钙钛矿表面Fe位点和Sr空位在晶格氧氧化参与的高效OER中的关键作用

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钙钛矿催化剂上由晶格氧氧化(lattice oxygen oxidation, LOER)参与的析氧反应(OER)由于其低反应能垒而引起了研究人员的极大兴趣。然而,由于钙钛矿的表面结构在催化过程中是动态的,因此LOER的活性位点和贡献因素仍不清楚,这严重限制了高效钙钛矿催化剂的发展。


基于此,四川大学李高仁教授和内蒙古大学张江威(共同通讯作者)等人报道了他们通过使用蚀刻方法,设计并制造了具有表面Fe位点和Sr空位的高效La/Sr(LaxSr1-xCoO3-δ, LSC, x≤0.5)基钙钛矿催化剂,用于LOER,并建立了LOER与动态表面结构之间的关系。
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通过密度泛函理论(DFT)计算和先进的原位表征,如原位X射线吸收近边缘结构(XANES)和原位拉曼光谱,表明表面Fe位点是LOER的催化中心,而Sr空位可以促进LOER通过提高O 2p水平。此外,飞行时间二次离子质谱(tof-SIMS)和微分电化学质谱(DEMS)表明,钙钛矿上的LOER是通过吸附的16OH转变为Co-18O-16O的晶格氧动态变化来实现的。
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通过18O同位素标记实验发现,优化后的具有表面Fe位点和Sr空位的LSC钙钛矿表现出优异的电催化性能,在电解池和膜电极组件(MEA)配置中均优于被认为是OER的高性能催化剂的贵金属RuO2/C。该研究不仅证明了表面Fe掺杂和Sr动态溶解对高效LOER的关键作用,而且为高性能钙钛矿催化剂的设计铺平了道路。
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Key Roles of Surface Fe Sites and Sr Vacancies in Perovskite for Efficient Oxygen Evolution Reaction Participated by Lattice Oxygen Oxidation. Energy Environ. Sci., 2022, DOI: 10.1039/D2EE00264G.
https://doi.org/10.1039/D2EE00264G.




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