科学通报 | 刘兆清课题组发表评述文章尖晶石析氧催化剂的挑战、应用与调控策略

氢能作为清洁能源的代表，正成为实现“双碳”目标的重要路径。其中，电解水制氢因其绿色、可持续的特性备受关注，但长期以来受限于析氧反应（OER）的高能耗和高成本。科研人员在尖晶石型金属氧化物催化剂研究中取得多项重要进展，为提高电解水效率提供了新方向。

广州大学刘兆清教授课题组撰写评述总结了近年来尖晶石型电催化剂的研究进展，介绍了析氧反应机理，包括常规吸附质演化机制和晶格氧演化机制，重点讨论了优化尖晶石电催化剂电化学性能的改性策略，如：位点调控、应变调控和表面重构等。最后，探讨了当前电催化剂在基础研究和工业化应用中所面临的挑战，并对未来发展方向进行了展望。

图文导读

图1不同的OER反应路径。(a) 碱性体系下的吸附质演化机制。不同活性中心的晶格氧氧化机制：(b) 空穴位点机制，(c) 单金属位点机制，(d) 双金属位点机制。

图2尖晶石四面体位调控策略。(a) CoMoO4中引入氧空位示意图。(b) 四面体与八面体相互作用示意图。(c) 计算得到的CoAl2O4、ZnCo2O4和Co3O4的pDOS; (d) 八面体TM、四面体TM和O的能带中心; (e) ZnCo2O4、Co3O4和CoAl2O4中Zn、Co、Al和O的计算电荷值。

图3尖晶石八面体位调控策略。(a) MT与MO竞争诱导的不对称MT–O–MO主链，以及M–O键断裂后组分参与反应循环示意图。(b) 八面体高占位的泡沫铁负载NiFe2O4合成示意图。(c) SO42−-NiFe2O4-Vo催化剂提升OER活性示意图。(d) NiFe2O4，NiFe2O4-Vo，SO42−-NiFe2O4以及SO42−-NiFe2O4-Vo催化剂活性对比。

图4尖晶石氧位点调控策略。(a) ZnCo2O4和ZnCo2O4−xFx的能带图和态密度示意图。(b) Vo-Co3O4HNCs扫描电子显微镜图。 (c) 添加和不添加TMACl溶液中，1.60 V时Vo-Co3O4HNCs和对照样品的电流密度对比。(d) Vo-Co3O4HNCs和对照样品在0.5 mol L−1 H2SO4中的计时电位曲线。

图5尖晶石晶格应变工程。(a, b) 具有最佳应变NiFe2O4-S-2和(c, d)缓和应变NiFe2O4的高分辨率透射电子显微镜及几何相分析图。(e) NiFe2O4-S-2样品的极化曲线。(f) NiFe2O4-S-2经过250 h OER的计时电位分析。(g) 含OER活性位点的高熵氧化物体系示意图(Cr, Co, Mn, Ni, Fe标记为A至E)。(h) 混合金属在高熵氧化物表面不同活性部位的相对混合焓。(i) 高熵氧化物体系OER活性火山图。

图6尖晶石表面重构。(a) (Co1−xLix)Co2O4尖晶石中MO4和MO6单元金属氧共价性(x = 0、0.25、0.5、0.75和1)。(b) 原始以及循环后Co3O4和LiCo2O4尖晶石的高分辨率透射电子显微图像。(c) 循环后尖晶石LixCo3−xO4样品的Tafel图。(d) Co2FexV1−xO4的制备流程示意图。(e, f) 过电位与CV活化的关系: 10~100。(g) 电解液中V析出浓度。(h) 在1 mol L−1 KOH, 15000 s时, Co2FeO4和Co2Fe0.25V0.75O4的时间变化的电位曲线。

文章信息

肖抗, 刘兆清. 尖晶石析氧催化剂的挑战、应用与调控策略. 科学通报, 2025, 70(18): 2966–2980

Xiao K, Liu Z Q. Regulation strategy of spinel OER electrocatalyst (in Chinese). Chin Sci Bull, 2025, 70(18): 2966–2980

doi: 10.1360/TB-2024-0633

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