高孔隙度单相菱面体CrxRh2?xO3纳米纤维催化剂加速碱性条件下氧析出反应

本研究通过电纺丝和煅烧技术成功制备了单相菱面体结构的CrxRh2?xO3纳米纤维，解决了传统OER（氧析出反应）催化剂成本高、稳定性差的问题。该材料在碱性条件下表现出优异的催化活性（过电位255 mV@10 mA cm?2）和长达24小时的稳定性，DFT计算揭示了其d带中心能级调控中间体吸附/解吸的机制，为设计高效非贵金属催化剂提供了新思路。

　　

在清洁能源转型的浪潮中，氢能因其零碳排放特性成为焦点，而电解水制氢技术的核心瓶颈在于阳极缓慢的氧析出反应(OER)。目前主流铱(Ir)、钌(Ru)基催化剂虽性能优异，但面临资源稀缺和成本高昂的困境。更棘手的是，OER涉及四电子转移过程，动力学迟滞导致能耗居高不下。针对这一挑战，研究人员尝试通过过渡金属合金化降低贵金属用量，但如何精准调控电子结构与活性位点仍是未解难题。

在这项发表于《Applied Surface Science Advances》的研究中，来自国内的研究团队创新性地将地壳中丰富的铬(Cr)与稀有金属铑(Rh)结合，通过电纺丝和精确控温煅烧技术，首次成功制备出单相菱面体结构的Cr_xRh_2?xO₃纳米纤维。这种独特的制备方法不仅实现了两种金属离子在晶格中的均匀分布，还形成了高度多孔的纤维结构，为催化反应提供了丰富的活性位点。

研究团队运用了多项关键技术：采用电纺丝法制备前驱体纤维，通过精确控制煅烧温度（400-550°C）调控晶体结构；利用X射线衍射(XRD)和高分辨透射电镜(HRTEM)确认单相结构；结合X射线光电子能谱(XPS)分析表面电子态；通过旋转圆盘电极(RDE)测试评估OER性能；最后采用密度泛函理论(DFT)计算揭示催化机制。

3.1 物理表征
研究显示450°C煅烧产物(Cr_xRh_2?xO₃–450)具有纯菱面体结构，XRD谱图与标准CrRhO₃(JCPDS 42-410)完美匹配。HRTEM观察到3 nm晶粒组成的多孔纤维，EDS图谱证实Cr、Rh、O元素均匀分布。比表面积测试显示其高达318.47 m² g^?1，是500°C样品的两倍，这为高催化活性奠定了基础。

3.2 电化学性能
在1.0 M KOH溶液中，Cr_xRh_2?xO₃–450表现出卓越的OER活性：起始电位仅1.43 V（vs RHE），10 mA cm^?2电流密度下过电位为255 mV，低于商用Ir/C催化剂(289 mV)。塔菲尔斜率低至60.3 mV dec^?1，表明反应动力学显著改善。质量活性达149 mA mg_Rh^?1，是纯RhO_y的19倍。电化学阻抗谱(EIS)显示其电荷转移电阻(R_ct)仅为57.2 Ω，证实电子传输效率提升。

3.3 DFT理论计算
理论计算发现CrRhO₃的d带中心(ε_d=-0.021 eV)更接近费米能级，优化了*OH/*O/*OOH中间体的吸附强度。自由能图谱显示Cr位点的理论过电位仅0.39 V，低于RuO₂(0.42 V)。特别值得注意的是，Cr位点比Rh位点更具活性，这与XPS观察到的Cr电子缺失状态相吻合——Rh的引入通过电子重排使Cr³⁺更易吸附含氧中间体。

这项研究通过巧妙的材料设计，将廉价金属Cr与少量Rh结合，不仅大幅降低成本，还创造了性能超越贵金属的OER催化剂。其意义在于：1) 开发了可控制备单相CrRhO₃的普适性方法；2) 通过d带中心理论指导催化剂设计；3) 为工业电解水装置提供了高活性、高稳定性的阳极材料解决方案。长达48小时的稳定性测试（仅100 mV电位漂移）和7倍于纯Rh催化剂的转换频率(TOF)，标志着该材料具备实际应用潜力，为清洁氢能的大规模生产铺平了道路。