日前，我院郝根彦博士与太原理工大学李晋平教授团队合作在电催化制氢领域取得重要研究进展，研究以“Trace F-doped Co3O4 nanoneedles for enhanced acidic water oxidation activity via promoting OH coverage”为题发表在学术期刊《Green Chemistry》（SCI一区TOP期刊，2024年影响因子：9.3）。该论文第一署名单位为山西工学院，我院郝根彦博士、太原理工大学赵陶博士和房强博士为论文的共同第一作者，太原理工大学赵强教授和钟达忠助理研究员为论文的共同通讯作者。

电催化水分解制氢为实现双碳目标提供了合理途径。与碱性电解水技术相比，酸性介质下运行的质子交换膜(PEM)电解槽因其响应速度快，工作电流密度高，适应波动性能力强，具有广阔的应用前景。然而，目前酸性介质中的电催化剂主要受限于贵金属基材料，它们的稀缺性和高成本限制了该技术的广泛应用。因此，设计低成本过渡金属基催化剂用于酸性电催化水分解具有十分重要的研究价值。

本论文提出使用微量电负性非金属元素氟（F）掺杂来提升Co3O4纳米针的酸性电催化活性和稳定性（F-Co3O4/CP）。电催化测试结果表明制备的过渡金属F-Co3O4/CP催化剂在0.5 M的H2SO4中10 mA cm-2下具有低的析氧（OER）过电位350 mV，以及长时间的耐久性，远远优于纯的Co3O4/CP催化剂（图1为电化学性能测试结果）。

图1 催化剂的电化学性能测试

通过原位阻抗和甲醇探针实验得出F-Co3O4/CP表面可以富集更多的OH，打破了酸性环境下缺乏OH的限制，这可以极大促进OER活性的提升。另外，XPS与XAS实验进一步分析得出F-Co3O4/CP中金属Co与F之间进行快速的电子交换，并且在OER中F-Co3O4/CP更有利于生成Co3+活性中心，这共同提升了催化剂的导电性能和催化活性（图2为催化机制的证实）。

图2 催化机制证实

CV测试与原位拉曼光谱证实F-Co3O4/CP在酸性下具有非常优异的稳定性，这归因于在Co3O4中引入F导致更多的OH在表面生成，缓解了Co的刻蚀，从而提升了稳定性。理论计算也表明F-Co3O4/CP中有强的OH的吸附能，有利于OH的吸附，与实验结果一致。并且F-Co3O4/CP的d带中心接近费米能级更有利于电子的转移，以及整体反应中的限速步骤能垒得到了优化，这都证实在Co3O4中引入F可以极大地提升反应效率（图3为催化剂在性能测试期间的结构表征与理论计算）。

图3 催化剂在性能测试期间的结构表征与理论计算

该工作得到国家自然科学基金（Nos. 22308246, 21975175, 21878202），中央引导地方科技发展资金（YDZJSX20231A015），山西省基础研究项目的资助（202203021212266）。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/gc/d4gc01895h。