科學通報 | 劉兆清課題組發表評述文章尖晶石析氧催化劑的挑戰、應用與調控策略

氫能作為清潔能源的代表，正成為實現“雙碳”目標的重要路徑。其中，電解水制氫因其綠色、可持續的特性備受關注，但長期以來受限于析氧反應（OER）的高能耗和高成本。科研人員在尖晶石型金屬氧化物催化劑研究中取得多項重要進展，為提高電解水效率提供了新方向。

廣州大學劉兆清教授課題組撰寫評述總結了近年來尖晶石型電催化劑的研究進展，介紹了析氧反應機理，包括常規吸附質演化機制和晶格氧演化機制，重點討論了優化尖晶石電催化劑電化學性能的改性策略，如：位點調控、應變調控和表面重構等。最后，探討了當前電催化劑在基礎研究和工業化應用中所面臨的挑戰，并對未來發展方向進行了展望。

圖文導讀

圖1不同的OER反應路徑。(a) 堿性體系下的吸附質演化機制。不同活性中心的晶格氧氧化機制：(b) 空穴位點機制，(c) 單金屬位點機制，(d) 雙金屬位點機制。

圖2尖晶石四面體位調控策略。(a) CoMoO4中引入氧空位示意圖。(b) 四面體與八面體相互作用示意圖。(c) 計算得到的CoAl2O4、ZnCo2O4和Co3O4的pDOS; (d) 八面體TM、四面體TM和O的能帶中心; (e) ZnCo2O4、Co3O4和CoAl2O4中Zn、Co、Al和O的計算電荷值。

圖3尖晶石八面體位調控策略。(a) MT與MO競爭誘導的不對稱MT–O–MO主鏈，以及M–O鍵斷裂后組分參與反應循環示意圖。(b) 八面體高占位的泡沫鐵負載NiFe2O4合成示意圖。(c) SO42?-NiFe2O4-Vo催化劑提升OER活性示意圖。(d) NiFe2O4，NiFe2O4-Vo，SO42?-NiFe2O4以及SO42?-NiFe2O4-Vo催化劑活性對比。

圖4尖晶石氧位點調控策略。(a) ZnCo2O4和ZnCo2O4?xFx的能帶圖和態密度示意圖。(b) Vo-Co3O4HNCs掃描電子顯微鏡圖。 (c) 添加和不添加TMACl溶液中，1.60 V時Vo-Co3O4HNCs和對照樣品的電流密度對比。(d) Vo-Co3O4HNCs和對照樣品在0.5 mol L?1 H2SO4中的計時電位曲線。

圖5尖晶石晶格應變工程。(a, b) 具有最佳應變NiFe2O4-S-2和(c, d)緩和應變NiFe2O4的高分辨率透射電子顯微鏡及幾何相分析圖。(e) NiFe2O4-S-2樣品的極化曲線。(f) NiFe2O4-S-2經過250 h OER的計時電位分析。(g) 含OER活性位點的高熵氧化物體系示意圖(Cr, Co, Mn, Ni, Fe標記為A至E)。(h) 混合金屬在高熵氧化物表面不同活性部位的相對混合焓。(i) 高熵氧化物體系OER活性火山圖。

圖6尖晶石表面重構。(a) (Co1?xLix)Co2O4尖晶石中MO4和MO6單元金屬氧共價性(x = 0、0.25、0.5、0.75和1)。(b) 原始以及循環后Co3O4和LiCo2O4尖晶石的高分辨率透射電子顯微圖像。(c) 循環后尖晶石LixCo3?xO4樣品的Tafel圖。(d) Co2FexV1?xO4的制備流程示意圖。(e, f) 過電位與CV活化的關系: 10~100。(g) 電解液中V析出濃度。(h) 在1 mol L?1 KOH, 15000 s時, Co2FeO4和Co2Fe0.25V0.75O4的時間變化的電位曲線。

文章信息

肖抗, 劉兆清. 尖晶石析氧催化劑的挑戰、應用與調控策略. 科學通報, 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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