電解水制氫作為一種環(huán)保、高效的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)技術(shù)，對(duì)于緩解全球能源危機(jī)和環(huán)境問題具有重要意義。在該反應(yīng)體系中，析氧反應(yīng)(OER)由于涉及多步質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移過程而表現(xiàn)出緩慢的動(dòng)力學(xué)，這限制了電解水產(chǎn)氫的整體效率。

目前，多金屬(氧)氫氧化物(如NiFe LDH、WCoFe羥基氧化物和NiFeMo羥基氧化物等)和高成本的貴金屬基納米結(jié)構(gòu)催化劑已被報(bào)道作為堿性和/或酸性O(shè)ER的通用基準(zhǔn)電催化劑。

然而，這些催化劑的稀缺性、低選擇性和較差的穩(wěn)定性限制了它們的大規(guī)模應(yīng)用。因此，目前迫切需要開發(fā)廉價(jià)、高效、穩(wěn)定的電解水催化劑。

近日，蘇州大學(xué)楊瑞枝課題組通過一步水熱法在單層NiV LDH載體的V空位上錨定高負(fù)載量的Ce單原子(Ce SAs/m-NiV LDH)，并且對(duì)其電催化行為進(jìn)行了研究。

電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，所制備的Ce SAs/m-NiV LDH催化劑具有優(yōu)異的OER活性，其在10和100 mA cm^?2電流密度下的過電位分別為209和290 mV，Tafel斜率低至50.7 mV dec^?1，由于相應(yīng)條件下的NiV LDH(291和380 mV，88.7 mV dec^?1)，表明Ce單原子的錨定有利于加速OER反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

此外，利用Ce SAs/m-NiV LDH和商業(yè)Pt/C分別作為陰極和陽(yáng)極組裝的電解槽在10和50 mA cm^?2處的電池電壓分別為1.47和1.53 V，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，NiV LDH具有典型的半導(dǎo)體特性，在費(fèi)米能級(jí)附近存在帶隙，Ce單原子的引入有效地縮小了帶隙，增強(qiáng)了費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度，有利于加速電荷轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)出較高的電子導(dǎo)電性。

此外，OH^?在催化劑表面的吸附能是反映催化劑活性的重要指標(biāo)，有利的OH^?吸附可以加速OER過程，提高催化劑活性。與NiV LDH的Ni位點(diǎn)(E_OH?=?2.54 eV)和V位點(diǎn)(E_OH?=?2.66 eV)相比，Ce SAs/m-NiV LDH的Ce位點(diǎn)上的OH^?吸附具有較低的E_OH?=?2.93 eV，即OH^?分子在Ce位點(diǎn)上的吸附趨勢(shì)強(qiáng)于Ni和V位點(diǎn)。

綜上，Ce單原子的引入使得單層NiV LDH與Ce單原子之間產(chǎn)生了強(qiáng)烈的電子相互作用，有利于縮小帶隙，增強(qiáng)費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度，以及更容易吸附OH^?，從而提高了催化性能。

Atomically dispersed cerium sites immobilized on vanadium vacancies of monolayer nickel-vanadium layered double hydroxide: Accelerating water splitting kinetics. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.20230853003