Co3O4表面金属活性位点的调控设计及其增强电催化性能

据MaterialsViews编辑部 报道：发展高活性、低成本的非贵金属氧还原/氧析出催化剂是提升燃料电池以及金属空气电池电性能及其规模化应用的关键。在众多被研究的替代材料中，过渡族金属氧化物（如Co3O4）由于价格低廉、资源丰富和潜在的氧催化性能而备受人们亲睐。然而，Co3O4本身电子电导差的缺陷使其活性还未被完全开发，氧还原活性明显低于贵金属Pt；另外，目前尚缺乏可控合成Co3O4纳米结构，特别是控制表面暴露晶面的简便快速合成策略；这给探究微观晶面取向与其宏观电催化性能间的构效关系，进而明晰过渡族金属催化剂表界面活性位点并进一步提升性能以媲美贵金属带来了很大的挑战。

最近，天津大学邓意达、胡文彬教授团队提出了一种简便、快速可控合成氮掺杂石墨烯负载不同晶面包裹Co3O4纳米结构的新方法，通过调控优化Co3O4表面Co2+和Co3+活性位点的比例及对氧的吸脱附行为，获得了优异的双功能催化活性和锌-空电池性能，并对催化机理进行了深入的分析。该团队提出氨分子与钴离子的相对摩尔比是影响Co3O4形核、沿不同晶面择优生长的关键参数，随着氨水添加量不断增加，在氮掺杂石墨烯基底上分别获得了{001}，{001}+{111}及{112}晶面构筑的Co3O4立方体、截角八面体及多面体纳米框架。实验结果和密度泛函理论分别阐述了Co3O4表面八面体间隙的Co3+活性位以及Co3O4与氮掺杂石墨烯之间的电子耦合协同能够优化含氧物种在材料表面的吸脱附和活化行为，是材料展现高效电催化活性的内在原因。该成果提供了一种在原子尺度调控表面催化活性点位进而优化纳米催化剂活性的新思路。

相关文章发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201702222)上，文章第一作者为天津大学材料学院教师韩晓鹏博士。