定向摻雜和界面耦合可優化電催化反應動力學過程

近日，西安建筑科技大學云斯寧教授“新能源材料”團隊在新能源材料高效和資源化利用方面取得進展，通過定向摻雜和界面耦合的雙重機制優化電催化OER/HER反應動力學過程，相關研究成果發表在Advanced Powder Materials上。

團隊設計了兩種表面功能化的肖特基結催化劑，以增強電解水過程中的HER和OER動力學過程。首先，通過定向摻雜B和S原子，使兩性g-C3N4顯示出典型的n和p型半導體特性。進一步與準金屬Fe3C耦合，優化了B-C3N4和S-C3N4的能帶結構，構建出具有選擇性吸附的肖特基結催化劑B-C3N4@Fe3C和S-C3N4@Fe3C。定向摻雜和界面耦合產生的空間電荷區誘導了局部“富OH-和H+”的微環境，從而使這兩種肖特基結催化劑表現出選擇性增強的OER/HER動力學行為。所設計的B-C3N4@Fe3C||S-C3N4@Fe3C雙電極系統僅需1.52 V的低電壓即可在10 mA cm-2的電流密度下實現高效的全解水。

研究采用定向摻雜和界面耦合策略設計并制備了B-C3N4@Fe3C和S-C3N4@Fe3C肖特基結催化劑。內部支撐的空心納米管提供了豐富的活性區，有利于電荷的快速傳輸。B和S的摻雜精準調控了g-C3N4的半導體性質，使其呈現典型的n型和p型半導體特征，為表面功能化創造了良好的研究平臺。與Fe3C的耦合進一步優化了g-C3N4@Fe3C的能級，并在肖特基結界面形成具有特定吸附性質的空間電荷區，從而選擇性增強了OER和HER動力學過程。通過這種定向摻雜和界面耦合的雙重機制優化電催化OER/HER反應動力學過程，是一種前景廣闊的策略，可廣泛應用于其他電催化領域催化劑的設計與制備。

研究采用定向摻雜和界面耦合策略設計并制備了B-C3N4@Fe3C和S-C3N4@Fe3C肖特基結催化劑。（課題組供圖）

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100224