董斌副教授、柴永明教授，AM观点：高施加电位助力酸性稳定Co基OER催化剂设计

原创张鑫宇等科学材料站

文章信息

高施加电位助力Co物种在MnO₂表面的稳定沉积及其酸性水氧化

第一作者：张鑫宇

通讯作者：董斌*，柴永明*

单位：中国石油大学（华东）

研究背景

可再生能源绿色电力用于电解水生产绿氢是未来规模化氢能生产的核心路径，对于氢能开发及氢能在相关领域应用和低碳可持续发展具有重要意义。其中，质子交换膜（PEM）水电解槽是最具工业应用前景的电解水产氢方式。受限于过渡金属催化剂在酸性环境下低的活性和稳定性，铱基等贵金属材料仍旧是PEM电解槽阳极（OER）催化剂较为现实的选择。但贵金属储量有限，价格高昂，严重阻碍了PEM电解槽的规模化应用推广。因此，开发非贵金属基、性能高效且稳定的酸性OER催化剂成为了该领域全球同行面临的重大挑战。

文章简介

基于此，来自中国石油大学（华东）重质油国家重点实验室的董斌副教授和柴永明教授，在国际能源材料顶刊Advanced Materials上发表题为“High Voltage Enabled Stable Cobalt Species Deposition on MnO₂ for Water Oxidation in Acid”的研究论文。

该文章提出了高施加电位与电解液调制相结合的策略，有效实现了溶液中微量Co²⁺在MnO₂载体表面的稳定沉积。在合适的电压条件下，MnO₂表面沉积生成的CoO₂可以作为整个催化体系新的活性位点，有效促进了OER的进行且保持了较高稳定性。该结合策略可能是构筑酸性稳定Co基OER催化剂的一种有效手段。

本文要点

要点一：施加高压促使电解液中钴离子沉积相变

作者通过向电解液中滴加微量Co²⁺的方式实现了载体MnO₂在酸性环境下OER活性（6.9倍）和稳定性（46.4倍）的提升。原位拉曼光谱等表征发现在极化曲线测试过程中，Co²⁺存在明显的相变过程，并最终在高电位（大于1.8 V vs. RHE）下以CoO₂的形式稳定存在于载体MnO₂表面。相变产生的CoO₂可以有效分担和抑制OER电位对载体MnO₂的分解作用，从而极大地提升了整个催化体系的稳定性。

要点二：钴基熔融盐处理MnO₂可以有效提升Co在其表面的沉积

受限于MnO₂化学惰性，一些传统的方法如水热、气相磷化等很难对其进行有效修饰。作者采用了一种新的熔融盐法对MnO₂进行处理，在强离子相互作用环境下，成功实现了Co原子对MnO₂的掺杂（90-Co-MnO₂）。在酸性电解液中测试时，这些掺杂的钴原子会发生溶解，并为后续高施加电位下溶液中Co²⁺的沉积提供更多的附着位点。

要点三：直接对载体施加高电位有利于形成稳定的Co基催化物种

在上述发现的基础上，作者通过先向催化剂表面施加高电位再向电解液中加入酸性电解质的方式，有效提升了其他Co基催化剂的OER稳定性，进一步证明了直接电位调控有助于提升Co基催化材料酸性稳定性的可行性与普适性。

文章链接

High Voltage Enabled Stable Cobalt Species Deposition on MnO₂ for Water Oxidation in Acid

https://doi.org/10.1002/adma.202207066

第一作者简介

张鑫宇简介：2018.06中国石油大学（华东）材料化学专业学士学位，2018.09至今中国石油大学（华东）化学工程与技术专业直博生，主要从事过渡金属基电解水催化剂的设计与应用研究，以第一作者在Adv. Mater.、Appl. Catal. B、CEJ、JMCA、Nano Res.等期刊发表科研论文多篇(ESI高被引论文1篇)。先后获得博士国家奖学金、中国石油大学研究生“学术十杰”、山东省高校“优秀学生”、山东省研究生优秀成果二等奖、山东省大学生科技创新大赛一等奖等，参加国内（国际）学术会议4次。

通讯作者简介

董斌副教授简介：分别于2002.06和2008.06年获得兰州大学材料化学学士学位和分析化学博士学位，2014.03-2015.03美国马凯特大学化学系公派访问学者。2008.07至今，中国石油大学（华东）化学化工学院任教，副教授，博士生导师。主要从事电解水制绿氢催化材料及电解槽装置的相关基础与应用研究。主持国家自然基金面上项目、山东省基金面上项目等课题10余项。

以第一或通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B等期刊发表多篇研究论文（ESI高被引5篇），H因子54。担任Chinese Chemical Letters 编委、Nano-Micro Letters助理编辑、Chinese Journal of Structural Chemistry青年编委、eScience青年编委。入选2022斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单、入选2022全球10万学者学术影响力榜单。

柴永明教授简介：教授、博导，现任重质油国家重点实验室副主任、油气加工新技术教育部工程研究中心副主任、Nano-Micro Letters副主编。2008.01获中国石油大学（华东）化学工程与技术专业博士学位。2008.07至今，中国石油大学（华东）化学化工学院任教。主要从事催化加氢、催化制氢、绿色氢能制取与利用基础与应用研究。

先后主持国家自然基金面上项目（2项）、国家自然基金青年基金、山东省重大科技创新工程项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目、中国石油重大科技专项（2项）、技术转化重大项目等20多项。

以通讯作者在Adv. Mater.、Appl. Catal. B、J. Catal.等期刊发表多篇科研论文，授权国家发明专利30多项。并担任《燃料化学学报》青年编委、《石油化工高等学校学报》编委、中国能源学会新能源专家组委员、中国化工学会石油化工专委会委员、烃加工协助组专家委员会委员、山东省化工行业高质量发展专家库专家。