近日，武汉大学肖湘衡教授课题组在Chinese Physics B 上在线发表了题为“Oxygen vacancies and V co-doped Co₃O₄ prepared by ion implantation boosts oxygen evolution catalysis”的研究成果。该工作通过离子注入技术制备出钒离子和氧空位的共同掺杂的Co₃O₄催化剂。由于钒离子和氧空位的协同效应，改性后的Co₃O₄的导电性和Co原子周围的电荷密度增加，并且表现出优异析氧催化活性。

电解水技术制备再生氢能源替代传统化石能源是减少碳排放以达到碳中和目标的最有前景的方法之一。然而受限于析氧半反应（OER）迟缓的热力学和动力学过程，所需的过高的过电位严重制约着电解水技术的进一步发展。因此，制备出具有高性能的廉价金属氧化物催化剂以替代商业贵金属催化剂进行高效地驱动电催化水裂解反应是具有十分重要意义的。掺杂和生成氧空位这两种方法被广泛的用于调节催化剂的电子结构来提高其电催化性能，但是关于杂质离子与氧空位的协同作用对于催化剂性能影响的研究缺乏。利用离子注入技术可以高分散度的引入杂质以及辐照效应，能够在对Co₃O₄掺杂V离子的同时产生氧空位，研究钒离子和氧空位的协同作用对Co₃O₄电子结构及其OER反应过程能垒的影响是具有重要的科学意义。

研究人员通过V离子束对Co₃O₄进行离子注入，实现了V离子的均匀掺杂并产生氧空位，制备出V离子和氧空位共掺的Co₃O₄（V-O_v-Co₃O₄）。研究发现，V离子和氧空位的协同作用不仅增加了Co₃O₄的导电性，还增加了Co原子的周围电子密度，提高了对HOO*反应中间体的吸附能力，这使得OER过程中从O*到HOO*步骤的能垒降低，从而提高电催化活性。电化学性能测试表明，在1M KOH电解液中，V-O_v-Co₃O₄ 驱动10 mA/cm²反应电流仅需要329mV的过电位，远优于V掺杂Co₃O₄ (381 mV)以及未改性的Co₃O₄ (403 mV)，其塔菲尔斜率为74.5 mV/dec。该项工作为研究杂质离子和氧空位的协同效应对Co₃O₄电催化剂的电子结构和析氧性能的作用提供了参考。

原文链接：https://robots.iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1056/ac1339

（通讯员：孙博）