研究生成果展示】廈門大學廈門大學化學化工學院團隊在單原子層六方氮化硼用于提升析氧反應性能研究方面取得進展

序言

近日，曹陽教授團隊在單原子層的六方氮化硼助催化劑用于提升析氧反應性能研究方面取得進展，相關成果以“One-atom-thick hexagonal boron nitride co-catalyst for enhanced oxygen evolution reactions”為題發表于Nature Communications（DOI：10.1038/s41467-023-42696-3）。

研究背景

催化劑表面的電子局域活性位點被認為是影響析氧反應（OER）性能的關鍵因素。然而，這些局域電子可能會阻礙催化劑到電極表面的電荷傳輸。針對這一問題，研究團隊提出，利用二維材料原子級厚度的特性，作為助催化劑集成在其他維度催化劑表面，可有效縮短電子傳輸路徑，降低了電荷傳輸阻力，同時通過材料選擇，二維材料表面可提供高密度電子局域的表面活性位點，增強反應性能。

研究內容及成果

本工作選擇的二維六方氮化硼（hBN）材料，表面高密度B-N鍵易于形成電子局域活性中心，優化OER反應中含氧物種的吸附。而且，盡管塊體hBN是絕緣體，但當其厚度降低到單原子層時，電荷可通過隧穿快速傳輸?；诖?，利用化學氣相沉積法生長的厘米級單原子層hBN薄膜作為助催化劑，封裝NiFeOxHy陽極，器件表現出超低的塔菲爾斜率（~30?mV dec?1），OER電流密度比單獨NiFeOxHy提高10倍（490mV過電位下達~2 A?cm?2），并且可以在~2A cm-2的高電流密度下穩定運行超過150h。電極質量活性比商業化催化劑高出五個數量級。實驗和理論計算結果表明，OER性能的提升歸因于hBN助催化劑上含氧中間體的吸附，hBN/NiFeOxHy表面局域電子促進了含氧中間體的去質子化過程。同時，此類單原子層hBN助催化劑可適用于多種常用OER電催化劑表面的封裝，均可大幅提升電極性能。本工作發展了利用單原子層二維材料作為助催化劑的新方法，為深入理解電極表界面原子層反應機理以及精準調控機制提供了新的思路。

研究團隊

該工作是曹陽教授和北京航空航天大學宮勇吉教授的共同指導下完成，第一作者為我校2020級博士生魯藝珍。該工作得到了國家重點科技發展計劃項目（2022YFA1505200、2018YFA0306900），國家自然科學基金項目（21872114、92163103、22171016）、中央高?；究蒲袠I務費專項資金（20720210009）的支持。