仿生超氧化物歧化酶启发的N,S共掺杂CoFe2O4/MoC异质结构电催化剂高效水分解研究

针对异质结催化剂中掺杂元素调控机制不明确的问题，研究人员受超氧化物歧化酶(SOD)的"电子拖拽"效应启发，设计出N,S共掺杂CoFe2O4/MoC异质结构电催化剂。该催化剂在1.47 V低电位下实现100 mA cm?2的全水解电流密度，并保持300小时稳定输出，为高效非贵金属催化剂设计提供了新思路。

　　

水电解技术作为清洁能源转换的关键途径，其大规模应用受限于56–73%的低能量转换效率。当前依赖铂(Pt)、钌(Ru)等贵金属的催化剂面临资源稀缺和环境污染的双重挑战，而传统异质结研究多聚焦界面电子转移，忽视掺杂元素的调控作用。这一科学瓶颈的突破，亟需从自然界获取灵感——就像超氧化物歧化酶(SOD)通过金属离子(Cu/Zn)的协同作用高效催化超氧化物歧化反应那样。

安徽省教育厅优秀研究创新团队等机构支持的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表成果，通过阳离子交换法构建具有氧空位的N,S共掺杂CoFe₂O₄/MoC(简称N,S-CFO/MC-NS)异质结构。该催化剂模仿SOD的"电子拖拽"机制，在碱性条件下仅需217 mV过电位即可驱动OER，全水解性能超越多数非贵金属催化剂。

关键技术包括：1) 阳离子交换法构建异质结构；2) 密度泛函理论(DFT)计算电子转移路径；3) 原位拉曼光谱追踪反应中间体；4) X射线光电子能谱(XPS)分析元素化学态；5) 电化学工作站评估催化稳定性。

【合成与表征】
通过分步水热法合成珊瑚状结构材料，XRD证实成功构建CoFe₂O₄/MoC异质相，XPS显示N/S掺杂引起Fe 2p轨道0.8 eV结合能位移，表明电子结构重构。

【电子拖拽效应】
DFT计算揭示N/S掺杂产生0.12 e^?净电荷转移：S原子通过p-d轨道杂化从MoC抽取电子，而N原子向CoFe₂O₄的Fe 3d轨道注入电子，形成双向调节通道。

【催化性能】
在1 M KOH中，N,S-CFO/MC-NS达到10 mA cm^?2 HER电流密度仅需98 mV过电位，OER塔菲尔斜率低至42 mV dec^?1，全水解电压较IrO₂‖Pt/C体系降低320 mV。

【机理研究】
原位拉曼观察到605 cm^?1处Co^IV=O特征峰，证实S掺杂促进高价态钴形成；理论计算显示N调控使Fe位点d带中心上移0.3 eV，优化*OOH吸附能(-2.14 eV)。

该研究首次将生物酶促反应中的电子调控原理应用于异质结设计，突破传统界面工程局限。通过建立"元素掺杂-电子重排-活性调控"的构效关系，为开发兼具高活性与稳定性的催化剂提供了新范式。其珊瑚状结构设计理念和阳离子交换合成策略，对新型能源材料开发具有普适性指导意义。