【摘 要】
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尖晶石(AB2O4)作为金属氧化物中的重要一类,因其结构稳定、组成元素多样、价态可调、成本低廉等优势被认为是一种极具应用前景的ORR/OER催化剂。然而由于尖晶石本身具有导电性差、活性位密度低等缺点,限制了其进一步大规模用于上述电化学系统中。在此,我们在冷等离子体协助下,成功制备了一种缺陷丰富的NiCo2O4样品,并且可以通过简单更换等离子体发生气体实现氧缺陷浓度的调控。得益于氩气等离子体产生的大
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尖晶石(AB2O4)作为金属氧化物中的重要一类,因其结构稳定、组成元素多样、价态可调、成本低廉等优势被认为是一种极具应用前景的ORR/OER催化剂。然而由于尖晶石本身具有导电性差、活性位密度低等缺点,限制了其进一步大规模用于上述电化学系统中。在此,我们在冷等离子体协助下,成功制备了一种缺陷丰富的NiCo2O4样品,并且可以通过简单更换等离子体发生气体实现氧缺陷浓度的调控。得益于氩气等离子体产生的大量氧空穴,在随后通过氮源筛选,实现了NiCo2O4晶格中10.1%的氮原子掺杂比率,进而提升了氧缺陷的稳定性和NiCo2O4的导电性。电化学测试表明,在氮掺杂NiCo2O4催化剂的作用下,整个ORR过程展现出一个典型的4电子过程(过氧化氢产率降至0.59%)并显著提升了电流密度和起始电位。DFT计算表明氮原子引入提升了费米能级附近电子密度,并优化d带中心位置。虽然氧缺陷因易于制得展现出了诸多优势,然而其在富氧环境下的稳定性仍是一个巨大问题。金属缺陷因其独特的电子和轨道结构展现出了更多优秀的性质而受到广泛关注。然而,金属缺陷因其巨大的形成能,往往难以直接制备或通过改性引入。为解决这一困难,我们以等离子体法制备的Al掺杂的NiCo2O4为前驱体,成功对其表面改性并在表面选择性生成了丰富的Co缺陷。通过DFT计算和实验揭示了Al掺杂会对Co-O键起到拉伸作用,从而降低Co缺陷的生成难度。在此基础上,通过添加Na OH与等离子体条件下被电离的金属离子结合,晶格中的Co离子被选择性带走,从而在金属氧化物表面留下大量金属缺陷。实验和DFT计算证明了,Co缺陷会引发电子离域,因此显著增加催化剂固有载流子浓度和活性位点密度,进而显著增强NiCo2O4催化剂无载体条件下的本征OER催化活性。除对尖晶石型金属氧化物本身具有的阴阳离子缺陷进行引入和调控外,为解决尖晶石型金属氧化物固有导电性差和活性位点密度低的缺陷,我们合成了一种具有丰富S缺陷的Cu Co2O4/Cu Co2S4异质结构。实验证明,通过调控的等离子体处理时间,可以有效调控Cu Co2O4相和Cu Co2S4相的比例,通过调控等离子体放电气体可以有效调控该异质结构表面S缺陷浓度。通过XPS深度剖析和EDS等分析初步探索了Cu Co2O4硫化改性的机理。在异质结和S缺陷的协助下,实现了ORR/OER催化活性的同时提升。
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