【摘要】 深度解析阴离子调控策略在多阴离子过渡金属化合物中的应用：通过S/P/N等阴离子掺杂优化Co/Ni/Fe基OER电催化剂电子结构，降低反应过电位，提升水分解制氢效率。综述最新研究进展与产业化挑战

析氧反应（OER）作为电化学水分解与金属空气电池的核心过程，其缓慢的四电子转移机制严重制约清洁能源技术效率。本文聚焦阴离子调控策略在多阴离子过渡金属化合物催化剂中的应用，系统分析其对OER活性的提升机制，为设计高效电催化剂提供新思路。

 

一、OER反应的关键挑战

1.​技术瓶颈：OER反应需克服高过电位（通常>300mV），显著降低水分解制氢和锌空电池能量效率

2.​贵金属替代：Ir/Ru基催化剂成本高昂（铱价>$1500/盎司），亟需开发非贵金属电催化剂

3.活性优化原理：OER本征活性遵循吸附能火山曲线规律，关键中间体(*O, *OOH)吸附强度需精准平衡

图1. Co3O4 OER过程中的阴离子调控。[1]

二、阴离子调控的作用机制

通过引入S、P、N等异质阴离子，可实现对过渡金属（Co/Ni/Fe基）电子结构的精准调控：

  • ​电子结构调制：电负性差异改变金属中心d带位置（如S掺杂使Co d带中心下移0.3eV）

  • ​优化吸附能：双阴离子协同降低速率决定步骤能垒（图2氧硫体系ΔG*O→*OOH降低0.15eV）

  • ​提升导电性：阴离子空位增加载流子浓度（如氧空位使电导率提升102倍）

图2. 氧化硫化物中氧和硫的阴离子调控。[1]

三、阴离子调控类型及进展

调控类型

代表材料

性能提升效果

作用机制

氧族元素调控

Co3O4-S

过电位降低80mV@10mA/cm²

S诱导晶格应变增强*OH吸附

氮掺杂调控

NiFe-LDH/N

TOF提升5倍

N优化Ni3+自旋态

磷阴离子工程

Fe-CoP/NF

稳定性>500h

P抑制金属溶出

 

四、前沿挑战与发展方向

1.​动态机理研究：需开发原位Raman/XAS技术追踪反应中阴离子价态演变

2.理论模型优化：建立阴离子比例-电子结构-活性构效关系的量化模型

3.产业化应用：探索阴离子梯度结构在膜电极组件中的规模化制备工艺

 

参考文献：[1] H.-F. Wang, C. Tang, B.-Q. Li, Q. Zhang, A review of anion-regulated multi-anion transition metal compounds for oxygen evolution electrocatalysis, Inorganic Chemistry Frontiers, 5 (2018) 521-534.

 

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