析氧反應(yīng)(OER)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢是阻礙電解水制氫技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵因素。最近，作為廉價(jià)的催化劑，鐵基尖晶石氧化物(如NiFe2O4)在提升堿性O(shè)ER性能方面顯示出巨大潛力。這種尖晶石氧化物的費(fèi)米能級(jí)穿過(guò)導(dǎo)帶，導(dǎo)致了顯著的電導(dǎo)率。這一特性確保了在加速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和進(jìn)一步降低OER過(guò)電位的優(yōu)勢(shì)。盡管如此，對(duì)OER動(dòng)力學(xué)的促進(jìn)仍不理想。 OER反應(yīng)包括四個(gè)連續(xù)的反應(yīng)步驟，每個(gè)步驟都涉及一個(gè)電子的轉(zhuǎn)移，其中速率控制步驟(RDS)的能壘最大。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要取決于RDS，其本質(zhì)上受電催化劑的電子能帶結(jié)構(gòu)性質(zhì)(典型的是d帶中心)的影響。在過(guò)去的幾十年中，人們發(fā)展了多種方法來(lái)調(diào)控電子結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)方法依賴于成分調(diào)節(jié)，探索獨(dú)立于成分調(diào)節(jié)的新策略是進(jìn)一步促進(jìn)OER活性的關(guān)鍵。

基于此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)亓鈞雷、名古屋大學(xué)Yusuke Yamauchi和東華大學(xué)劉書德等通過(guò)非平衡熱沖擊法，開發(fā)了晶格應(yīng)變尖晶石NiFe2O4作為高效的電催化劑，以提高OER性能。 具體而言，通過(guò)控制熱輸入來(lái)控制熱膨脹NiFe2O4顆粒和未膨脹的碳纖維之間的差異，可以誘導(dǎo)出最佳的晶格應(yīng)變(約14.7%)。拉伸應(yīng)變導(dǎo)致費(fèi)米能級(jí)附近γ能帶變平，電荷數(shù)目增加；同時(shí)，F(xiàn)e的d帶中心(主要活性位點(diǎn))上移，導(dǎo)致更多的電荷參與OER催化，因此RDS(*OOH→*+O2+h++e?)的能壘降低，OER動(dòng)力學(xué)加快。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)變NiFe2O4在10 mA cm?2電流密度下的OER過(guò)電位僅為180 mV；以應(yīng)變NiFe2O4和商業(yè)Pt/C組裝的非對(duì)稱堿性電解池在10 mA cm?2電流密度下(沒(méi)有iR校正)下，水分解電壓范圍為1.52-1.56 V，并且在連續(xù)電解100小時(shí)后，該電解槽的電壓仍保持初始的99.4%。 此外，研究人員根據(jù)所提出的反應(yīng)機(jī)理，以CoFe2O4、MnFe2O4和ZnFe2O4等尖晶石氧化物為例，證實(shí)了由界面熱失配引起的工程拉伸應(yīng)變對(duì)于提高尖晶石氧化物的OER電催化具有普遍適用性。

Tensile strain-mediated spinel ferrites enable superior oxygen evolution activity. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c08598

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