双位点阳离子工程调控钙钛矿氧化物实现高效析氧电催化

为解决OER（析氧反应）催化剂活性与稳定性不足的问题，研究人员通过A位富集（Sm0.1）与B位掺杂（Ni0.05）协同策略，设计出Sm0.1SrCo0.45Fe0.45Ni0.05O3-δ（SSCFN）钙钛矿催化剂。该材料在0.1 M KOH中表现出319 mV@10 mA cm?2的低过电位和3000分钟超长稳定性，为高性能电解水催化剂设计提供了新思路。

　　

随着全球对清洁能源需求的激增，电解水制氢技术成为解决能源危机的重要途径。然而，析氧反应（OER）作为水分解的决速步骤，其缓慢的四电子转移过程严重制约了整体效率。传统贵金属催化剂（如IrO₂）虽性能优异，但高昂成本阻碍了大规模应用。钙钛矿氧化物（perovskite oxides）因其可调变的晶体结构和丰富的氧化还原活性位点，被视为极具潜力的替代材料。然而，如何通过精准调控其组成与缺陷化学来平衡活性与稳定性，仍是领域内亟待解决的关键科学问题。

针对这一挑战，来自中国的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表了一项创新研究。他们以经典钙钛矿SrCo_0.5Fe_0.5O_3-δ（SCF）为基底，通过双位点协同修饰策略——A位引入过量Sm³⁺（Sm_0.1）实现阳离子富集，B位掺入Ni²⁺（Ni_0.05）诱导电荷补偿，成功构筑了Sm_0.1SrCo_0.45Fe_0.45Ni_0.05O_3-δ（SSCFN）催化剂。这一设计巧妙融合了A位富集提升氧空位浓度与B位掺杂优化电子结构的双重优势，为开发高效稳定OER催化剂提供了新范式。

研究团队采用EDTA-柠檬酸溶胶凝胶法合成材料，通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和电化学阻抗谱（EIS）等技术系统表征了材料的结构与性能。

Results and discussion
XRD分析揭示，双位点修饰促使SCF从双相结构转变为单一立方相，晶格参数从3.862 ?增至3.871 ?，表明Sm³⁺和Ni²⁺成功掺入晶格。XPS证实Co/Fe氧化态升高，氧空位浓度提升42%，这得益于Ni²⁺取代引发的电荷补偿效应。电化学测试显示，SSCFN在10 mA cm^?2电流密度下的过电位（319 mV）较SCF降低61 mV，Tafel斜率（73.5 mV dec^?1）表明其更快的反应动力学。稳定性测试中，SSCFN在3000分钟恒电位测试后活性衰减不足5%，归因于立方相结构对晶格应力的缓冲作用。

Conclusions
该研究通过A/B位协同工程实现了钙钛矿氧化物结构-性能的精准调控：Sm富集稳定立方相框架，Ni掺杂优化d带中心位置并增加氧空位浓度，二者协同作用显著提升了本征活性和耐久性。这项工作不仅为设计非贵金属OER催化剂提供了新思路，更深化了对钙钛矿材料构效关系的理解，对推进电解水制氢技术产业化具有重要意义。