定向掺杂和界面耦合优化电催化反应动力学过程
定向掺杂和界面耦合优化电催化反应动力学过程
近日，西安建筑科技大学云斯宁教授“新能源材料”团队在新能源材料高效和资源化利用方面取得重要进展。团队通过定向掺杂和界面耦合的双重机制，成功优化了电催化析氧反应（OER）和析氢反应（HER）的动力学过程，相关研究成果发表在Advanced Powder Materials期刊上。
团队设计了两种表面功能化的肖特基结催化剂，以增强电解水过程中的HER和OER动力学过程。首先，通过定向掺杂B和S原子，使两性g-C3N4显示出典型的n型和p型半导体特性。进一步与准金属Fe3C耦合，优化了B-C3N4和S-C3N4的能带结构，构建出具有选择性吸附的肖特基结催化剂B-C3N4@Fe3C和S-C3N4@Fe3C。
定向掺杂和界面耦合产生的空间电荷区诱导了局部“富OH-和H+”的微环境，从而使这两种肖特基结催化剂表现出选择性增强的OER/HER动力学行为。所设计的B-C3N4@Fe3C||S-C3N4@Fe3C双电极系统仅需1.52 V的低电压即可在10 mA cm-2的电流密度下实现高效的全解水。
研究采用定向掺杂和界面耦合策略设计并制备了B-C3N4@Fe3C和S-C3N4@Fe3C肖特基结催化剂。内部支撑的空心纳米管提供了丰富的活性区，有利于电荷的快速传输。B和S的掺杂精准调控了g-C3N4的半导体性质，使其呈现典型的n型和p型半导体特征，为表面功能化创造了良好的研究平台。与Fe3C的耦合进一步优化了g-C3N4@Fe3C的能级，并在肖特基结界面形成具有特定吸附性质的空间电荷区，从而选择性增强了OER和HER动力学过程。
研究采用定向掺杂和界面耦合策略设计并制备了B-C3N4@Fe3C和S-C3N4@Fe3C肖特基结催化剂。（课题组供图）
这种定向掺杂和界面耦合的双重机制优化电催化OER/HER反应动力学过程的策略，不仅在电解水领域展现出广阔的应用前景，还为其他电催化领域催化剂的设计与制备提供了新的思路。