麦立强/赵焱/罗雯Nano Energy: 平面电化学微器件揭示表面P-O基团在P掺杂Co3O4电催化析氧中的作用

雨辰

2021-01-13

过渡金属磷化物或部分磷化的氧化物在析氧反应(OER)中通常会进行表面重构，但其催化活性仍比直接合成的氧化物强，这引起了人们对探索这种高催化活性的原因的极大兴趣。在OER过程中监测催化剂的电子性质可以提供对催化能力的重要见解。

有鉴于此，武汉理工大学麦立强教授、赵焱教授和罗雯等人，设计了一种基于单个薄膜催化剂的平面电化学微器件，证明了在重构的晶格磷掺杂Co₃O₄薄膜中，Co₃O₄物种与表面P-O基团之间的电子耦合效应。

本文要点

1）通过设计基于单个P₁-Co₃O₄薄膜的平面电化学微型器件，首次测量了重构的晶格掺磷Co₃O₄的电导率，并建立了重构过程中晶格掺磷Co₃O₄的固有电导率与电化学活性之间的关系。在存在导电的Au衬底的情况下，重构的晶格磷掺杂的Co₃O₄在10 mA / cm²处显示出320 mV的最低过电势。

2）此外，结合片上电化学阻抗谱测量，原位IV测量和重构磷化物的理论模拟，阐明了P-O基团对新形成的氧化物的影响。证明了新形成的氧化物与P-O基团之间的诱导电子偶联。P-O基团的偶联有效促进了新形成氧化物的金属-氧共价，从而加速了活性金属中心与氧吸附物之间的电子转移，从而增强了电催化活性。

3）通过DFT计算，从理论上证明了Co₃O₄中耦合的P-O基团可以缩短Co 3d和O 2p能带中心之间的能量差（更强的Co-O共价），有效地将PDS的自由能垒从2.97降低到2.11 eV，从而促进OER活性。

总之，该工作突出了Co₃O₄表面P-O基团在OER过程中的作用，这种独特的片上电化学微器件平台也可以应用于其他相关领域，以了解纳米尺度下材料的动态行为。

参考文献：

Xunbiao Zhou et al. Unveiling the Role of Surface P-O Group in P-doped Co₃O₄ for Electrocatalytic Oxygen Evolution by On-chip Micro-device. Nano Energy, 2021.

DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.105748

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105748