仿生非共面多层防御结构实现了高电流密度下的耐氯化物海水氧化反应

《Advanced Energy Materials》：Biomimetic Non-Coplanar Multilayer Defense Architecture Achieves High Current Density Chloride-Resistant Seawater Oxidation

氯耐受氧析出反应催化剂设计与性能研究。通过水热法和原位还原制备的MCF-LDH催化剂采用“Clam-Shield”多层防御系统，物理阻挡（MnO?屏障）和静电排斥（CO?2?层间）协同抑制Cl?渗透，DFT计算表明OH?吸附能（-1.89 eV）显著高于Cl?（-0.35 eV），稳定关键反应中间体。DOS分析显示Fe-3d和Co-3d轨道在费米能级附近连续性增强，电子导电性优化。该催化剂在300 mA cm?2时过电位277 mV，500 mA cm?2时304 mV，经600小时测试活性保持率>97%。

　　

摘要

为了实现实际的海水电解制氢，合理设计高活性且耐Cl^?的电催化剂对于氧演化反应（OER）至关重要。本文通过水热法和原位氧化还原法合成了具有仿生“蛤壳防护”多层防御系统的新型MCF-LDH催化剂。该催化剂的功能层采用创新的z轴非共面结构，通过物理阻挡（MnO₂层）和静电排斥（CO₃^2?中间层）实现了协同的耐氯性能。密度泛函理论（DFT）计算表明，MnO₂改变了CoFe-LDH的d带中心，同时该催化剂对OH^?的吸附具有明显的热力学优势（?1.89 eV），相对于Cl^?（?0.35 eV），从而稳定了关键反应中间体。此外，对MCF-LDH的态密度（DOS）分析显示，在费米能级（E_f）附近Fe-3d和Co-3d轨道的连续性得到增强，表明其电子导电性有所提高。这种“轴向位错-功能协同”策略赋予了MCF-LDH卓越的电催化性能，在300和500 mA cm^?2的电流密度下，过电位分别仅为277 mV和304 mV。此外，MCF-LDH催化剂表现出出色的长期稳定性，在500和1000 mA cm^?2的高电流密度下，经过600小时的使用后，其初始活性仍分别保留了99.4%和97.8%。本研究为耐氯OER电催化剂的设计提供了有前景的策略。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。