ACS Catalysis：單晶外延鐵基氧化物薄膜的配位結構調控與高效電催化水氧化

【文章信息】

單晶外延鈣鈦礦基鐵氧化物薄膜的配位結構調控與高效電催化水氧化

第一作者：翁壯林，黃浩亮，李曉文

通訊作者：黃傳威，孟玉英，Tewodros Asefa

單位：深圳大學，暨南大學，新澤西州立大學

【研究背景】

鈣鈦礦氧化物（ABO₃）由于靈活調控的晶體結構以及豐富的電子態等優勢作為經濟的非貴金屬OER催化劑最近被廣泛研究。但過渡金屬氧化物的OER活性強烈依賴于材料中晶體結構及其表面形貌特征（例如，結晶度、晶體取向和表面粗糙度等）。這些復雜因素不可避免的增加了過渡金屬氧化物體系中電催化機理研究的難度，阻礙其機理與商業化進程的探索。單晶鈣鈦礦氧化物薄膜具有以下顯著特點：(1)具有單晶、單相等簡單結構，有效避免了晶界、相界等因素的影響；(2)利用單晶薄膜的晶體生長取向和界面應變效應等變量可進一步誘導新穎的晶體結構與電子態調控，為其催化活性與機理的探索提供更豐富有效的研究方法；(3)通過氧離子的有效吸入/析出，操縱B-O配位幾何結構（八面體BO₆-四面體BO₅-無限層平面BO₄），實現更多新穎的功能配位亞結構單元（BO_x）以及拓撲序構的鈣鈦礦衍生相（鈣鈦礦PV、鈣鐵石BM或平面無限層結構IL）。本文以單晶鈣鈦礦鐵基氧化物SrFeO_3-δ (0≤δ≤1，SFO)為研究體系，利用脈沖激光沉積技術生長特定取向的單晶薄膜，設計不同Fe-O功能配位幾何結構與拓撲構建，探索其反應機理，實現不同拓撲結構下該薄膜OER催化活性的精準調控與有效提高。

【文章簡介】

近日，深圳大學黃傳威、暨南大學孟玉英和美國新澤西州立大學Tewodros Asefa合作，在國際知名期刊“ACS Catalysis”發表題為“Coordination Tailoring of Epitaxial Perovskite-Derived Iron Oxide Films for Efficient Water Oxidation Electrocatalysis”的文章。該文章通過基于功能配位結構的拓撲相變與其電子態的構建，在SrFeO_3-δ單晶薄膜中開展“結構-性能”與相關機理的調控研究，有效改善其OER催化活性，為合理設計具有高成本效益的新型OER電催化氧化物材料提供了指導思路。

圖1. SrFeO_3-δ單晶薄膜的拓撲結構轉變與相應功能配位體Fe-O的調控

【本文要點】

要點一：單晶外延SrFeO_3-δ薄膜研究體系

相較于粉末和塊材，單晶外延SrFeO_3-δ薄膜排除多晶界、相界等因素的影響，有利于相結構的精準調控與物性機理探索。同時，借助襯底和薄膜間的界面應力效應可誘使該薄膜出現新穎的晶體/電子結構，改善其OER性能。

要點二：基于Fe-O配位結構的拓撲相變

相比于傳統金屬離子的摻雜，本文通過氧離子的析出/吸入，高效誘導Fe-O配位結構與拓撲相變調控，獲得具有特定功能配位單元與有序氧通道排布的SFO衍生相，實現其OER催化活性的提高。

要點三：“結構-性能-機理”關聯性構建。

研究并澄清“晶體結構-OER性能-活性機理“的耦合機制。理論計算與實驗結果表明，隨著SFO薄膜的拓撲相變（PV-BM-IL），晶格氧參與機理（LOM）反應所需過電位明顯減小，由此誘導BM-SFO薄膜OER活性提升。而晶向（111-110-100）操縱將進一步調控BM-SFO薄膜的反應機理與OER性能。相關研究為開發經濟高效的OER氧化物材料提供新思路和新方法。

圖2:不同拓撲結構與晶向下SFO薄膜中OER活性與機理調控

【文章鏈接】

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

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

【通訊作者簡介】

黃傳威博士簡介：2013年博士畢業于新加坡南洋理工大學，現為深圳大學材料學院副教授，長期從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)等國際權威期刊上發表論文50余篇。研究成果被Science/Nature 系等國際著名期刊引用超1000次。

孟玉英博士簡介：2015年博士畢業于華南理工大學，現為暨南大學，先進耐磨蝕及功能材料研究院副研究員，長期從事于碳基和過渡金屬基能源催化材料的研究。在Adv. Mater.,?J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater.等材料、化學國際學術刊物上發表論文40余篇，其中ESI高被引論文(Highly Cited Paper) 3篇。論文總引用次數2100余次，單篇最高引用次數300余次，H-index 20。是Nano Energy, Advanced Science, Small, Chem. Commun.等國際學術期刊審稿人。