开发经济、高活性、稳定的析氧反应电催化剂(OER)是生产低成本水分解系统和金属空气电池的主要障碍之一。

有鉴于此，中科院理化所张铁锐研究员、南京理工大学阚二军和北京工业大学汪夏燕教授等人，通过热诱导相偏析工艺，制备了具有高氧化态的亚纳米级CoOx簇，均匀分散在金红石TiO₂载体（Co-TiO₂）的晶格中。

本文要点

1）通过热诱导相分离（TIPS）工艺和O₂等离子体处理，有效地制备了平均尺寸约为1.3 nm的CoOx团簇，均匀分散在金红石TiO₂载体（Co-TiO₂）上。电子和几何结构表征结果表明，CoOx团簇具有较高的氧化态（Co³⁺≈78.1％），其短程原子排列与Co₃O₄晶胞相似，稳定地局限于具有取代掺杂结构的TiO₂晶格中。

2）得益于CoOx团簇与TiO₂载体之间的强相互作用，与基准RuO₂和Co₃O₄催化剂相比，Co-TiO₂对OER表现出显着增强的内在活性和稳定性。催化剂表面积归一化的Co-TiO₂在350 mV的过电位下的比活性（j_BET）高达0.361 mA cm^-2，翻转频率（TOF）高达3.250 s^-1，比Co₃O₄高出约两个数量级。此外，Co-TiO₂在400 mV恒电位30 000 s下的OER电流密度衰减仅为6.5%，CoOx团簇的聚集和溶解可忽略不计，表明其具有优越的耐久性。

3）Operando X射线吸收精细结构(XAFS)分析和进一步的理论计算表明，Co掺杂剂并不是唯一的活性位点，它也调节TiO₂载体的电子结构，从而活化了其相邻Ti原子的OER活性。在这种情况下，形成了Co-Ti协同催化中心，其中OH*和O*优先吸附在Co和Ti的桥连位点上，从而降低了OER的能垒。

参考文献：

Yong Yan et al. Substitutionally Dispersed High‐Oxidation CoOx Clusters in the Lattice of Rutile TiO₂ Triggering Efficient Co-Ti Cooperative Catalytic Centers for Oxygen Evolution Reactions. Advanced Functional Materials, 2020.

DOI: 10.1002/adfm.202009610

https://doi.org/10.1002/adfm.202009610