钴氧化物(CoO/Co3 O4 )异质结构作为双功能催化剂在水分解中的研究进展：从机理到应用创新

【编辑推荐】为解决传统贵金属催化剂成本高、稳定性差的问题，研究人员聚焦钴氧化物(CoO/Co3 O4 )异质结构的设计与优化，系统阐述了其作为双功能催化剂在析氧反应(OER)和析氢反应(HER)中的协同机制，揭示了缺陷工程、掺杂及碳基杂化对催化性能的提升作用，为清洁能源转换技术提供了低成本高效解决方案。

　　

随着全球能源消耗突破600艾焦/年，化石燃料占比仍超80%，开发高效清洁能源技术迫在眉睫。电解水制氢因其零碳排放特性成为研究热点，但贵金属催化剂的高成本制约了规模化应用。在此背景下，沙特阿拉伯Shaqra大学的Zahrah Alhalili团队在《Molecular Catalysis》发表综述，系统阐述了钴氧化物(CoO/Co₃
O₄
)异质结构作为双功能催化剂的突破性进展，通过结构-性能关系解析为替代贵金属提供了新范式。

研究采用材料表征（X射线衍射分析晶体结构）、电化学测试（线性扫描伏安法评估OER/HER过电位）、光谱分析（X射线光电子能谱验证氧空位）等方法，结合密度泛函理论计算电子结构。样本体系涵盖实验室合成的纳米颗粒、碳基复合材料及工业级催化剂前驱体。

晶体结构
CoO的岩盐结构（八面体配位）与Co₃
O₄
尖晶石结构（混合价态Co²⁺
/Co³⁺
）对比表明：后者因多活性位点更利于OER，而前者优异的电荷传输能力更适合HER。

合成策略
尺寸/形貌调控实验显示：纳米线阵列比表面积提升3倍，使HER电流密度增加200%；等离子体处理引入的氧空位将Co₃
O₄
的OER过电位降至280mV。

光学特性
紫外-可见光谱证实Co₃
O₄
的2.1eV带隙宽度与太阳光谱匹配度达85%，光热协同效应使水分解效率提升40%。

反应机制
酸性介质中HER遵循Volmer-Tafel路径，碱性条件下OER通过吸附物演化机制（AEM），异质界面处的电荷重分布使能垒降低0.3eV。

材料优化
MXenes杂化使CoO的HER活性提升5倍；氮掺杂石墨烯包覆使Co₃
O₄
稳定性延长至500小时。

该研究确立了钴氧化物异质结构"电子结构-活性位点-催化性能"的构效关系，工业放大实验显示其吨级生产成本仅为铂基催化剂的1/20。未来需解决原子层沉积（ALD）技术的大面积均匀性问题，并通过原位表征技术揭示动态反应界面机制。这项工作为设计非贵金属双功能催化剂提供了理论框架与技术路线，对实现《巴黎协定》碳中和目标具有战略意义。