CeO2@CoNiO2核壳结构纳米片协同促进水氧化：高效稳定OER催化剂的设计与机制研究

《Journal of Renal Nutrition》：Water oxidation promoted synergistically by CeO 2-shell on CoNiO 2-core

本文报道了一种突破性核壳结构CeO2@CoNiO2纳米片（NPLs）催化剂，通过稀土CeO2壳层调控过渡金属CoNiO2核的电子结构，显著增加活性位点和氧空位，在析氧反应（OER）中仅需206 mV过电位即可达到10 mA/cm2电流密度，并展现500小时超长稳定性。结合原位拉曼光谱和理论计算，揭示了Ce壳层作为活性中心促进水分子吸附解离的机制，为设计过渡金属-稀土金属复合氧化物催化剂提供了新范式。

　　

Highlight

本研究通过构建CeO₂@CoNiO₂核壳纳米片，实现了稀土与过渡金属氧化物的协同增效，为开发高效稳定的OER催化剂提供了创新设计思路。

Results and discussion

通过微乳液法制备的CeO₂@CoNiO₂核壳纳米片（图1a）展现出独特的结构优势。TEM和HAADF-STEM表征证实了清晰的核壳界面，其中CeO₂壳层厚度约5 nm均匀包覆在CoNiO₂核上。XPS分析显示，Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对的存在使核壳界面产生电子转移，显著提高了Co/Ni活性位点的电子密度。这种电子调控作用使催化剂在碱性条件下仅需206 mV过电位即可驱动10 mA/cm²的OER电流，比单纯CoNiO₂纳米颗粒性能提升37%。

原位拉曼光谱动态监测发现，CeO₂壳层在反应过程中能稳定维持CoNiO₂的尖晶石结构，而对比样则出现明显的结构退化。密度泛函理论（DFT）计算表明，Ce位点通过降低水分子解离能垒（从1.28 eV降至0.76 eV）和优化*OOH中间体吸附自由能（ΔG从2.15 eV降至1.89 eV），成为OER的活性中心。这种"核提供导电骨架-壳层主导催化"的分工机制，使催化剂在50 mA/cm²大电流下仍能稳定工作300小时。

Conclusions

该工作不仅证实了稀土-过渡金属核壳结构的协同催化优势，更重要的是揭示了CeO₂壳层通过电子调控和界面工程双重作用提升OER性能的机制，为设计新一代非贵金属电催化剂提供了重要参考。