電催化劑中的氧空位(VO)與析氫反應(yīng)(HER)活性密切相關(guān)，然而，空位缺陷的作用及其濃度對催化劑析氫性能的影響仍不清楚。Bi2O3是一種對HER性能并不優(yōu)異的電催化劑，由于其具有不理想的氫吸附吉布斯自由能(ΔGH*)，因此被用作探索VO對HER 性能的影響的完美模型。近日，昆士蘭科技大學(xué)孫子其和廖婷等通過一種簡便的等離子體輻照策略，制造出具有不同VO濃度的Bi2O3納米片以探究缺陷對HER性能的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，雖然產(chǎn)生的氧空位有助于增強(qiáng)HER性能，但高于飽和值的VO濃度會(huì)導(dǎo)致 HER活性顯著下降。通過調(diào)整處理時(shí)間來調(diào)節(jié)Bi2O3納米片中的VO濃度，具有優(yōu)化的氧空位濃度和電荷載流子濃度為1.52×1024 cm-3的Bi2O3催化劑表現(xiàn)出增強(qiáng)的HER性能(10 mA cm-2時(shí)的過電位為174.2 mV，Tafel斜率為80 mV dec-1)，其在堿性溶液中的交換電流密度為316 mA cm-2。研究人員通過應(yīng)用密度泛函理論(DFT)計(jì)算研究了氫中間體在各種活性位點(diǎn)上的吸附作為氧分壓和氧化學(xué)勢的變化之間的關(guān)系。理論研究表明，在O位點(diǎn)(H*O)上的單個(gè)H*是低V濃度下的首選吸附模型，而在雙氧空位位點(diǎn)(2VO-H*O)上單個(gè)H*的吸附是在高VO濃度下占主導(dǎo)地位。然而，VO濃度不能太高，否則H*的解吸能太高，無法進(jìn)行下一步解吸。這項(xiàng)工作為將固有惰性金屬氧化物材料活化為高性能電催化劑鋪平了道路，并為VO工程用于能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)提供了一些見解。
Conversion of Catalytically Inert 2D Bismuth Oxide Nanosheets for Effective Electrochemical Hydrogen Evolution Reaction Catalysis via Oxygen Vacancy Concentration Modulation. Nano-Micro Letters, 2022. DOI: 10.1007/s40820-022-00832-6
