纳米晶有序介孔Co(OH)2和Co3O4薄膜：从结构特性视角探究析氧反应活性

《Small Science》：Nanocrystalline Ordered Mesoporous Co(OH)2 and Co3O4 Thin Films: Oxygen Evolution Reaction Activity from a Structural Properties Perspective

本文系统研究了煅烧温度对软模板法制备的钴基薄膜介孔结构演化及析氧反应（OER）性能的调控规律。研究发现250°C处理的Co(OH)2薄膜具有最优OER活性（过电位370 mV），其优势源于有序介孔结构提供的电解质渗透通道、高比表面积以及无定形表面促进的活性物种转化。该工作为设计高效过渡金属氧化物电催化剂提供了结构-性能关系的重要见解。

　　

结构特性

通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）表征发现，煅烧温度显著影响薄膜表面形貌。200°C时薄膜呈致密无孔结构；250°C开始形成随机分布的纳米孔（12-14 nm）；300°C时形成有序介孔网络（15-20 nm），且无裂纹；400°C时因热应力产生微裂纹，孔径超过20 nm。薄膜厚度随温度升高从782 nm（200°C）降至508 nm（400°C），归因于聚合物分解和骨架致密化。透射电子显微镜（TEM）显示300°C样品出现6 nm纳米晶，400°C时Co₃O₄晶粒尺寸增至14.1 nm。

表面分析

X射线光电子能谱（XPS）表明200-300°C样品表面为Co(OH)₂，400°C样品呈现Co²⁺/Co³⁺混合价态的Co₃O₄特征。近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）进一步证实250°C样品存在Co(OH)₂特有的多重态特征，而400°C样品在Co L边显示Co²⁺（778.6 eV）和Co³⁺（780.3 eV）双峰。红外反射吸收光谱（IRRAS）在400°C样品中检测到Co₃O₄的Co-O振动峰（682 cm^-1和600 cm^-1），证实相变完成。

OER活性

线性扫描伏安（LSV）测试显示，Co(OH)₂-250具有最低过电位（370 mV）和塔菲尔斜率（69 mV dec^-1），表明其最优OER动力学。电化学阻抗谱（EIS）测得该样品电荷转移电阻（R_ct）最低（7.5 Ω），双电层电容（C_DL）最高（23.4 mF），对应最大电化学活性面积（ECSA，585 cm²）。400°C样品因结晶度提高和裂纹形成，OER活性下降（过电位440 mV）。计时电位法（CP）显示所有样品在10 mA cm^-2下稳定性良好（4小时电流损失1.1-3%）。

结论

研究表明OER性能受三大结构参数协同调控：介孔网络完整性影响电子传导路径，无定形表面促进Co(OH)₂向活性CoOOH转变，比表面积决定活性位点数量。250°C样品在介孔发育程度、结晶度与表面活性之间达到最佳平衡，为设计高效钴基电催化剂提供了优化方向。