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单晶外延铁基氧化物薄膜的配位结构调控与高效电催化水氧化

时间：2023-02-16 来源：浏览：

单晶外延铁基氧化物薄膜的配位结构调控与高效电催化水氧化

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【文章信息】

单晶外延钙钛矿基铁氧化物薄膜的配位结构调控与高效电催化水氧化

第一作者：翁壮林，黄浩亮，李晓文

通讯作者：黄传威，孟玉英， Tewodros Asefa

单位：深圳大学，暨南大学，新泽西州立大学

【研究背景】

钙钛矿氧化物（ ABO ₃ ）由于灵活调控的晶体结构以及丰富的电子态等优势作为经济的非贵金属 OER 催化剂最近被广泛研究。但过渡金属氧化物的 OER 活性强烈依赖于材料中晶体结构及其表面形貌特征（例如，结晶度、晶体取向和表面粗糙度等）。这些复杂因素不可避免的增加了过渡金属氧化物体系中电催化机理研究的难度，阻碍其机理与商业化进程的探索。单晶钙钛矿氧化物薄膜具有以下显著特点： (1) 具有单晶、单相等简单结构，有效避免了晶界、相界等因素的影响； (2) 利用单晶薄膜的晶体生长取向和界面应变效应等变量可进一步诱导新颖的晶体结构与电子态调控，为其催化活性与机理的探索提供更丰富有效的研究方法； (3) 通过氧离子的有效吸入 / 析出，操纵 B-O 配位几何结构（八面体 BO ₆ - 四面体 BO ₅ - 无限层平面 BO ₄ ），实现更多新颖的功能配位亚结构单元（ BO _x ）以及拓扑序构的钙钛矿衍生相（钙钛矿 PV 、钙铁石 BM 或平面无限层结构 IL ）。本文以单晶钙钛矿铁基氧化物 SrFeO _3-δ (0≤δ≤1 ， SFO) 为研究体系，利用脉冲激光沉积技术生长特定取向的单晶薄膜，设计不同 Fe-O 功能配位几何结构与拓扑构建，探索其反应机理，实现不同拓扑结构下该薄膜 OER 催化活性的精准调控与有效提高。

【文章简介】

近日，深圳大学黄传威、暨南大学孟玉英和美国新泽西州立大学 Tewodros Asefa 合作，在国际知名期刊 “ACS Catalysis” 发表题为 “ Coordination Tailoring of Epitaxial Perovskite-Derived Iron Oxide F ilms for Efficient Water Oxidation Electrocatalysis ” 的文章。该文章通过基于功能配位结构的拓扑相变与其电子态的构建，在 SrFeO _3-δ 单晶薄膜中开展 “ 结构 - 性能 ” 与相关机理的调控研究，有效改善其 OER 催化活性，为合理设计具有高成本效益的新型 OER 电催化氧化物材料提供了指导思路。

图 1. SrFeO _3-δ 单晶薄膜的拓扑结构转变与相应功能配位体 Fe-O 的调控

【本文要点】

要点一：单晶外延 SrFeO _3-δ 薄膜研究体系

相较于粉末和块材，单晶外延 SrFeO _3-δ 薄膜排除多晶界、相界等因素的影响，有利于相结构的精准调控与物性机理探索。同时，借助衬底和薄膜间的界面应力效应可诱使该薄膜出现新颖的晶体 / 电子结构，改善其 OER 性能。

要点二：基于 Fe-O 配位结构的拓扑相变

相比于传统金属离子的掺杂，本文通过氧离子的析出 / 吸入，高效诱导 Fe-O 配位结构与拓扑相变调控，获得具有特定功能配位单元与有序氧通道排布的 SFO 衍生相，实现其 OER 催化活性的提高。

要点三： “ 结构 - 性能 - 机理 ” 关联性构建。

研究并澄清 “ 晶体结构 -OER 性能 - 活性机理 “ 的耦合机制。理论计算与实验结果表明，随着 SFO 薄膜的拓扑相变（ PV-BM-IL ），晶格氧参与机理（ LOM ）反应所需过电位明显减小，由此诱导 BM-SFO 薄膜 OER 活性提升。而晶向（ 111-110-100 ）操纵将进一步调控 BM-SFO 薄膜的反应机理与 OER 性能。相关研究为开发经济高效的 OER 氧化物材料提供新思路和新方法。

图 2: 不同拓扑结构与晶向下 SFO 薄膜中 OER 活性与机理调控

【文章链接】

Coordination Tailoring of Epitaxial Perovskite-Derived Iron Oxide F ilms for Efficient Water Oxidation Electrocatalysis

https://doi.org/10.1021/acscatal.2c05147

【通讯作者简介】

黄传威博士简介： 2013 年博士毕业于新加坡南洋理工大学，现为深圳大学材料学院副教授，长期从事于功能氧化物薄膜的研究工作。在 Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., ACS Catalysis, Phys. Rev. B (R) 等国际权威期刊上发表论文 50 余篇。研究成果被 Science/Nature 系等国际著名期刊引用超 1000 次。

孟玉英博士简介： 2015 年博士毕业于华南理工大学，现为 暨南大学，先进耐磨蚀及功能材料研究院副研究员，长期从事于碳基和过渡金属基能源催化材料的研究。在 Adv. Mater. , J. Am. Chem. Soc ., Adv. Funct. Mater. 等材料、化学国际学术刊物上发表论文 40 余篇，其中 ESI 高被引论文 (Highly Cited Paper) 3 篇。论文总引用次数 2100 余次，单篇最高引用次数 300 余次， H-index 20 。是 Nano Energy, Advanced Science, Small, Chem. Commun. 等国际学术期刊审稿人。