铁掺杂调控硅酸钴电子结构实现高效析氧反应性能提升

【编辑推荐】针对硅酸钴(CoSi)析氧反应(OER)过电位(η)过高的问题，研究人员通过铁(Fe)掺杂策略重构其电子结构，成功制备出中空球形CoSi-Fe催化剂。该材料在10 mA cm?2 电流密度下仅需289 mV过电位，较未掺杂CoSi(407 mV)降低118 mV，性能超越多数金属硅酸盐催化剂。研究通过DFT计算揭示了Fe掺杂优化反应动力学与导电性的双重机制，为设计高性能非贵金属电催化剂提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，电解水制氢技术因零碳排放特性成为研究热点。其中析氧反应(OER)作为水分解的决速步骤，需要克服四电子转移的动力学障碍。虽然贵金属IrO₂
/RuO₂
是标杆催化剂，但其高昂成本阻碍了大规模应用。过渡金属硅酸盐(TMSs)因地球储量丰富、结构可调成为替代材料，其中钴硅酸盐(CoSi)虽具潜力，但仍面临导电性差、活性位点暴露不足等问题。湖北科技学院的研究团队通过创新性铁掺杂策略，成功开发出性能显著提升的CoSi-Fe催化剂，相关成果发表于《Journal of Colloid and Interface Science》。

研究采用水热合成结合St?ber模板法构建中空结构，通过X射线光电子能谱(XPS)和同步辐射等技术表征电子结构变化，结合电化学测试与密度泛函理论(DFT)计算阐明活性增强机制。

【结果与讨论】

1. 材料设计与合成：通过精确控制Co/Fe投料比(15:5)制备CoSi-Fe-3催化剂，中空球形结构提供更大比表面积和更多活性位点。
2. 电子结构调控：Fe掺杂引起Co 3d轨道电子重排，优化e_g
   轨道占据数，增强金属-氧共价性，降低*OOH中间体吸附能垒。
3. 性能优势：在1 M KOH中，CoSi-Fe-3的Tafel斜率(52.3 mV dec^?1
   )显著低于未掺杂样品，100小时稳定性测试后活性衰减<5%。

【结论】该工作通过几何结构与电子结构的协同调控，实现了三个突破：(1)Fe掺杂诱导的电子离域效应提升导电性；(2)中空结构促进电解液渗透与气泡释放；(3)Co/Fe双位点协同降低反应能垒。这种"组成-结构-性能"的构效关系研究为设计高效非贵金属催化剂提供了范式，对推动可再生能源技术发展具有重要意义。