低温电解水作为一种可持续的绿色制氢技术受到广泛关注。在众多电解水技术中，阴离子交换膜水电解在制的氢气纯度、电流密度、冷启动时间等方面具有优势，且可以不使用贵金属催化剂和槽体。当前，过渡金属及其氧化物在碱性电解质中展现较好的析氧催化活性。然而，在大电流密度下，这类催化剂的稳定性能面临较大挑战。
近日，中国科学技术大学高敏锐教授课题组报道了一种以氮介导的二维氧化钴催化剂，同时展现出优异的析氧活性与稳定性。通过氮的引入，一方面触发了晶格氧氧化机理，另一方面又构建了非键态氧(ONB)作为电子供体，避免了电子从“钴-氧”键序中移除，保证了催化剂的稳定性，相关成果以“Nitrogen-Mediated Promotion of Cobalt-Based Oxygen Evolution Catalyst for Practical Anion-Exchange Membrane Electrolysis”为题发表在国际学术期刊《美国化学会杂志》上(J. Am. Chem. Soc.2024,146 (29), 20379-20390)。
图1 吸附演化机理(AEM)、晶格氧氧化机理(LOM)与改良的LOM路径
在传统的吸附演化机理中，电子从填充的下哈伯德带(LHB)给出。而将氧带推向费米能级，能触发晶格氧机制，此时氧作为氧化还原中心，电子从“金属-氧”键带给出，从而导致“金属-氧”键顺序降低，致使结构不稳定。该工作创新性地构建ONB态，取代“金属-氧”的成键带作为电子供体，使得其键序得以保持，保证结构稳定性。同时，小电负性的氮取代氧位点，可以将LHB降低到“金属-氧”键带以下，触发晶格氧路径(图1)。
研究人员利用同位素标记的微分电化学质谱、扩展X射线吸收精细结构和原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱等谱学技术，对晶格氧参与析氧反应过程进行原位检测，证实了低电负性氮的引入增加了氧化钴材料中“钴-氧”键的共价性，触发了LOM路径。该结构改变同时释放了非键态氧作为电子供体，不影响“钴-氧”的键序，限制了钴元素的溶解，增强了催化剂的稳定性能。
图2 碱性膜电解水制氢测试
在实际的碱性膜电解槽中，该设计的催化剂作为膜电极组件的阳极催化剂，电解槽在1Acm-2电流密度为1.78V，并稳定地运行300小时以上。电解槽在1Acm-2的电流密度运行1.75小时后，共产生2.925升氢气，对应的电耗为47.8度电每公斤氢气(图2)。
论文的通讯作者是合肥微尺度物质科学国家研究中心高敏锐教授，共同第一作者为中国科大博士研究生余鹏程、特任副研究员张晓隆、硕士研究生张天昀。相关研究受到国家自然科学基金委杰出青年科学基金、国家重大科学研究计划等项目的资助。
