利用锚定在BiVO4钙钛矿晶体上的锶钴氧化物（SrCoO）实现高效电化学水分解

《International Journal of Hydrogen Energy》：Harnessing perovskite strontium cobalt oxide anchored on scheelite BiVO 4 for effective electrochemical water splitting

氢能作为可持续能源的重要性，以及通过电催化水裂解制备氢气的需求。研究采用水热法合成BiVO4/SrCoO3纳米复合材料，通过晶格应变、微应变和位错密度提升其电催化活性。在碱性电解条件下，该材料对氧析出反应（OER）和氢析出反应（HER）表现出低过电位（316 mV和260 mV）、高周转频率（0.2和0.4 s?1）和快速动力学（Tafel值74.8和183 mV/dec）。纳米复合材料的电阻降低至0.28和1.7 kΩ，活性表面积达590 cm2，展现出优异的长期稳定性（50小时无电压波动）。

　　近年来，随着全球气候变化的加剧以及化石燃料的逐渐枯竭，寻找可持续和可再生能源成为迫切需求。氢气作为一种清洁且可再生的能源载体，因其在能源转换过程中的潜力而受到广泛关注。然而，如何高效、低成本地生产氢气仍然是一个挑战。传统的电化学水分解方法在生产氢气方面具有重要价值，尤其是在开发可再生能源的过程中，电化学水分解被认为是一种可行的方式，相较于太阳能和风能等间歇性能源，其能够提供稳定的氢气来源。

在电化学水分解过程中，涉及两个主要的半反应：氧析出反应（OER）发生在阳极，而氢析出反应（HER）发生在阴极。目前，质子交换膜（PEM）电解和碱性电解是两种主要的电解技术。尽管PEM电解在氢气生产方面具有高效率，但其依赖昂贵的贵金属催化剂，如铂（Pt）、铱（Ir）和钌（Ru），这限制了其在商业化应用中的推广。另一方面，碱性电解虽然成本较低，但其反应速率较慢，并且需要较高的电解电压（通常在1.8-2.4伏之间），导致能耗较大，超出水分解的热力学极限（1.23伏）。因此，为了推动电化学水分解技术的广泛应用，开发高效、经济且稳定的非贵金属催化剂显得尤为重要。

在这一背景下，过渡金属基的电催化剂成为研究热点。它们不仅具有良好的电化学性能，而且在制造工艺上相对简单，同时具备优异的电子传导特性。这些特点使得过渡金属氧化物在OER和HER中备受关注。此外，纳米复合材料由于其协同效应，往往展现出比单一材料更高的电催化活性。例如，通过将不同金属氧化物结合，可以增加金属活性位点的数量，同时提高氧空位的浓度，从而增强对H?和OH?离子的吸附能力，提高催化效率。

BiVO?作为一种具有层状结构的材料，近年来因其在光催化水分解中的优异表现而受到青睐。它具备良好的离子传导性和环境稳定性，这使其在光催化过程中能够维持较高的光电流。然而，当BiVO?作为电催化剂使用时，其表现并不理想。这主要是由于其电子传导性相对较弱，以及活性位点数量有限，导致电化学活性受限。相比之下，SrCoO?作为一种钙钛矿型氧化物，具有良好的电子传导性和丰富的氧空位，这些特性使其成为一种具有潜力的电催化剂。

当BiVO?与SrCoO?结合形成纳米复合材料时，其展现出显著的协同效应。这种复合材料不仅继承了BiVO?的层状结构和良好的离子传导性，还融合了SrCoO?的高电子传导性和丰富的氧空位，从而提升了整体的电催化性能。实验结果显示，该复合材料在10 mA/cm2的电流密度下，OER的过电位降低至约316 mV，HER的过电位降低至约260 mV。同时，其Tafel值分别为74.8 mV/dec和183 mV/dec，表明其具有更快的反应动力学。此外，该复合材料表现出较低的电荷转移电阻，约为0.28和1.7 kΩ，并且具有更大的电化学活性表面积，达到590 cm2，这些因素共同促进了反应在界面处的进行。

在实际应用中，该纳米复合材料展现出优异的整体水分解（OWS）性能。其在OER和HER中均表现出良好的催化活性，能够在较短时间内实现高效的水分解。具体而言，该材料在10 mA/cm2的电流密度下，OER的过电位仅为342 mV，HER的过电位为289 mV，这表明其在实际操作中具有较高的效率。更为重要的是，该复合材料在连续反应50小时后仍能保持稳定的性能，电压波动几乎可以忽略不计，这表明其具有良好的电化学耐久性。这种长期的稳定性使其在实际应用中具有广阔的前景。

在材料制备方面，研究人员使用了多种化学试剂，包括五氧化二钒（V?O?）、草酸（C?H?O?）、氢氧化钠（NaOH）、硝酸铋（Bi(NO?)?·5H?O）、硝酸钴（Co(NO?)?·6H?O）、柠檬酸（C?H?O?）和硝酸锶（Sr(NO?)?）。这些材料均来源于Sigma-Aldrich公司，确保了实验的可靠性。BiVO?的制备过程通过将硝酸铋和五氧化二钒的水溶液混合，并加入草酸作为螯合剂，进一步优化了其结构和性能。

在实验结果中，扫描电子显微镜（SEM）分析揭示了合成纳米材料的表面结构和形貌。BiVO?呈现出花瓣状结构，而SrCoO?则以颗粒形式分布在致密且多孔的片状结构上。当两者结合形成纳米复合材料时，颗粒状的SrCoO?均匀分布在BiVO?的表面，形成了多孔的结构，这有助于提高材料的比表面积，从而增强其催化活性。此外，高分辨率的SEM图像进一步确认了复合材料的微观结构，表明其具有良好的界面特性。

综上所述，BiVO?/SrCoO?纳米复合材料在电化学水分解中展现出优异的性能。它不仅具有较低的过电位和较快的反应动力学，还表现出良好的电化学耐久性。这些特性使其成为一种具有潜力的非贵金属电催化剂，有望在可再生能源领域得到广泛应用。未来的研究可以进一步探索该材料在不同条件下的性能表现，以及如何优化其结构以提高催化效率。此外，该材料的工业化生产也是需要关注的重点，以确保其在实际应用中的可行性。