高效稳定的催化是实现氢能转化突破的核心。理想的催化材料需要相对稳定的晶格骨架,应具备灵活的价态调控能力。超常规高压制备的AA′3B4O12型A位有序四重钙钛矿氧化物,其Aʹ位和B位可同时容纳易变价过渡金属离子,可在多格点之间形成强协同效应,实现价态调控、电子态耦合与晶格有序的有机结合,展现出良好的电催化性能。
此前,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心龙有文团队发现CaCu3Ir4O12具有优异的电催化性能,并提出Aʹ位Cu与B位Ir协同增强电荷传输的新型催化机制。基于此,团队近期利用高温高压技术,制备出新型A位有序四重钙钛氧化物CaCu3Co2Ru2O12 (CCCRO)。
电化学测试显示,CCCRO在碱性电解液氧析出反应电流密度达到10mA cm-2时所需过电位仅为198 mV,优于商业RuO2;在析氢反应中达到10 mA cm-2电流密度所需过电位为46 mV,与商业Pt/C接近;在工业级电流密度100 mA cm-2下,CCCRO可连续运行超过500小时不衰减,具有很好的稳定性。原位X射线吸收谱与第一性原理计算结果显示,在析氧条件下,Cu、Co与Ru之间的三金属电子协同作用,可优化局域电子态,保持稳定的钙钛矿骨架;在析氢条件下,材料发生反应驱动的表面重构,自发形成Cu–Co–Ru合金纳米活性相,可增强电子和表面活性位点的耦合。
这种电子协同与结构演变的耦合机制,使CCCRO单相材料在全解水反应中实现了阴、阳两极的“一材双效”高性能,有望突破实际应用对高效、低成本且长期稳定催化剂的需求,并为优异低浓度贵金属催化剂的设计、机理与应用研究提供了新思路。
相关研究成果发表在Advanced Energy Materials和InfoMat上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等的支持。
CCCRO电催化性能展示
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