序言

近日，曹陽教授團隊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阻礙催化劑到電極表面的電荷傳輸。針對這一問題，研究團隊提出，利用二維材料原子級厚度的特性，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，增強反應(yīng)性能。

研究內(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，電荷可通過隧穿快速傳輸?；诖?，利用化學(xué)氣相沉積法生長的厘米級單原子層hBN薄膜作為助催化劑，封裝NiFeOxHy陽極，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NiFeOxHy提高10倍（490mV過電位下達~2 A?cm?2），并且可以在~2A cm-2的高電流密度下穩(wěn)定運行超過150h。電極質(zhì)量活性比商業(yè)化催化劑高出五個數(shù)量級。實驗和理論計算結(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表面局域電子促進了含氧中間體的去質(zhì)子化過程。同時，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)機理以及精準(zhǔn)調(diào)控機制提供了新的思路。

研究團隊

該工作是曹陽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級博士生魯藝珍。該工作得到了國家重點科技發(fā)展計劃項目（2022YFA1505200、2018YFA0306900），國家自然科學(xué)基金項目（21872114、92163103、22171016）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（20720210009）的支持。