文 章 信 息
【实验+计算+模拟】p-n异质结型CuO-CoOOH纳米阵列用于改善界面电荷转移和再分布，实现高效碱性OER
第一作者：胡静
通讯作者：徐平*
单位：哈尔滨工业大学
研 究 背 景
高效电解水是未来理想的清洁能源转换技术之一。受限于动力学缓慢的四电子过程，电催化析氧反应（OER）被认为是限制电解水的决速步。构建纳米合金或异质结构是改善催化剂OER性能的常用策略。
研究表明，电子密度的调节对制备高OER活性电催化剂具有重要意义。由于异质结在获得更高的比表面积和更低的活化能方面的协同效应，在电解水催化剂中构建异质结结构越来越受到关注。
前期调研发现，在非贵金属材料中，Co基材料与Cu基材料复合，复合材料可作为潜在替代贵金属的优异OER催化剂。
文 章 简 介
基于此，哈尔滨工业大学徐平教授课题组在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Improved Interface Charge Transfer and Redistribution in CuO-CoOOH p-n Heterojunction Nanoarray Electrocatalyst for Enhanced Oxygen Evolution Reaction”的实验文章。该文章通过设计使用原位阳极氧化方法结合低温化学浴方法，在三维自支撑泡沫铜骨架上成功构建异质结构型CuO@CoOOH纳米阵列材料。
实验结果、理论计算和模拟分析结果表明，异质结结构可以加速电子在界面的转移。此外，纳米阵列结构也可以引导离子流动，减弱表面电势梯度所引起的大过电位，从而增强局部电场，加速碱性OER动力学。
原位阳极氧化过程中释放的表面吸附的SO42-也有助于提高电催化活性。性能测试结果表明，表面吸附有SO42的复合异质结构CuO@CoOOH纳米阵列材料展现出优异的OER活性，在10 mA cm-2的电流密度下，过电位仅为~186 mV，Tafel斜率为51.7 mV dec-1，以及在碱性介质中的长期耐久性。
此外，大尺寸催化剂的制备表明了批量生产的可行性，这项工作也为设计和制备规模化高活性p-n异质结电催化剂提供了一条新的途径。
图1. p-n异质结构型CuO@CoOOH纳米阵列OER催化剂
文 章 亮 点
亮点一：构建具有优异OER性能的CuO@CoOOH p-n异质结纳米阵列材料
表面吸附有SO42的复合异质结构CuO@CoOOH纳米阵列材料展现出优异的OER活性，在10 mA cm-2的电流密度下，过电位仅为186 mV，Tafel斜率为51.7 mV dec-1，以及在碱性介质中的长期耐久性。这一结果优于大多数非贵金属基电催化剂。
亮点二：深入了解p-n异质结对电催化OER性能的贡献
能带图、电流密度分布模拟和DFT计算揭示了p-n异质结结构的CuO@CoOOH能加速界面处的电子转移，优化界面电荷再分配，使得CoOOH表面形成了许多活性中心，促进了碱性电解质中的OH-向CoOOH的转移，增强了其吸附能力，从而促进了OER过程。
亮点三：表面吸附SO42-在OER中起到了一定的作用
原位拉曼光谱技术研究揭示了原位阳极氧化过程中CoSx原位氧化为CoOOH并伴随着SO42−吸附在其表面，电子云密度分布模拟和密度泛函理论（DFT）计算表明，表面吸附的SO42−可以通过增强OH−的吸附来促进OER过程。
亮点四：实现了实验室条件下大面积电催化剂的可控制备。
大尺寸（14×25 cm2）样品的成功制备证明了催化剂工业化生产的可能性。
文 章 链 接
“Improved Interface Charge Transfer and Redistribution in CuO-CoOOH p-n Heterojunction Nanoarray Electrocatalyst for Enhanced Oxygen Evolution Reaction”
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202103314