序言

近日，曹陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)在單原子層的六方氮化硼助催化劑用于提升析氧反應(yīng)性能研究方面取得進(jìn)展，相關(guān)成果以“One-atom-thick hexagonal boron nitride co-catalyst for enhanced oxygen evolution reactions”為題發(fā)表于Nature Communications（DOI：10.1038/s41467-023-42696-3）。

研究背景

催化劑表面的電子局域活性位點(diǎn)被認(rèn)為是影響析氧反應(yīng)（OER）性能的關(guān)鍵因素。然而，這些局域電子可能會(huì)阻礙催化劑到電極表面的電荷傳輸。針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)提出，利用二維材料原子級(jí)厚度的特性，作為助催化劑集成在其他維度催化劑表面，可有效縮短電子傳輸路徑，降低了電荷傳輸阻力，同時(shí)通過材料選擇，二維材料表面可提供高密度電子局域的表面活性位點(diǎn)，增強(qiáng)反應(yīng)性能。

研究?jī)?nèi)容及成果

本工作選擇的二維六方氮化硼（hBN）材料，表面高密度B-N鍵易于形成電子局域活性中心，優(yōu)化OER反應(yīng)中含氧物種的吸附。而且，盡管塊體hBN是絕緣體，但當(dāng)其厚度降低到單原子層時(shí)，電荷可通過隧穿快速傳輸?；诖耍没瘜W(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)的厘米級(jí)單原子層hBN薄膜作為助催化劑，封裝NiFeOxHy陽(yáng)極，器件表現(xiàn)出超低的塔菲爾斜率（~30?mV dec?1），OER電流密度比單獨(dú)NiFeOxHy提高10倍（490mV過電位下達(dá)~2 A?cm?2），并且可以在~2A cm-2的高電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行超過150h。電極質(zhì)量活性比商業(yè)化催化劑高出五個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果表明，OER性能的提升歸因于hBN助催化劑上含氧中間體的吸附，hBN/NiFeOxHy表面局域電子促進(jìn)了含氧中間體的去質(zhì)子化過程。同時(shí)，此類單原子層hBN助催化劑可適用于多種常用OER電催化劑表面的封裝，均可大幅提升電極性能。本工作發(fā)展了利用單原子層二維材料作為助催化劑的新方法，為深入理解電極表界面原子層反應(yīng)機(jī)理以及精準(zhǔn)調(diào)控機(jī)制提供了新的思路。

研究團(tuán)隊(duì)

該工作是曹陽(yáng)教授和北京航空航天大學(xué)宮勇吉教授的共同指導(dǎo)下完成，第一作者為我校2020級(jí)博士生魯藝珍。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFA1505200、2018YFA0306900），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21872114、92163103、22171016）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（20720210009）的支持。