铁掺杂协同结构调控的埃洛石衍生硅酸钴氢氧化物增强析氧反应性能

　　为解决贵金属催化剂成本高、析氧反应(OER)动力学缓慢等问题，研究人员通过水热法成功制备了铁掺杂硅酸钴氢氧化物(CoFeSi)超薄纳米片电催化剂。该材料以埃洛石衍生物为硅源和模板，在10 mA·cm?2 电流密度下仅需282 mV过电位，Tafel斜率为57 mV·dec?1 ，经3000次CV循环和28 h恒电位测试仍保持优异稳定性。理论计算揭示了铁掺杂优化钴活性中心、降低*OOH形成能垒的作用机制，为开发高性能非贵金属OER催化剂提供了新策略。

　　

随着化石燃料过度开发与可再生能源间歇性问题的凸显，电化学水分解技术因其能将可再生能源转化为清洁氢能而备受关注。其中析氧反应(OER)作为水分解的关键半反应，其缓慢的动力学过程导致的高过电位成为制约技术发展的瓶颈。虽然贵金属氧化物如RuO₂
和IrO₂
表现出优异的OER活性，但其高昂成本阻碍了大规模应用。过渡金属硅酸盐(TMS)因结构稳定、理论容量高等特点被视为潜在替代材料，但传统硅酸钠等硅源成本较高，且纯相钴硅酸氢氧化物(CoSi)的OER活性(347 mV@10 mA·cm^?2
)仍逊色于贵金属催化剂。

针对上述问题，河北省某研究团队创新性地采用天然埃洛石纳米管作为硅源和模板，通过水热法成功制备了铁掺杂钴硅酸氢氧化物(CoFeSi)超薄纳米片电催化剂。研究系统考察了水热温度、时间及铁掺杂量等关键参数的影响，发现150°C水热16小时、铁掺杂量10 wt%的CoFeSi-10样品性能最优。该材料在碱性条件下仅需282 mV过电位即可达到10 mA·cm^?2
的电流密度，Tafel斜率为57 mV·dec^?1
，显著优于未掺杂的CoSi样品(347 mV, 89 mV·dec^?1
)。通过3000次循环伏安(CV)测试和28小时恒电位(CP)测试证实，材料保持初始电流密度的91.3%，展现出卓越的长期稳定性。

研究采用X射线衍射(XRD)证实材料成功结合了Co₃
(Si₂
O₅
)₂
(OH)₂
和Fe₂
(Si₂
O₅
)₂
(OH)₂
的晶体特征。扫描电镜(SEM)显示材料呈现由超薄纳米片组装的分级结构，比表面积达193 m²
·g^?1
。X射线光电子能谱(XPS)分析表明铁掺杂引起钴电子结构重排，Co²⁺
/Co³⁺
氧化还原对更易形成。密度泛函理论(DFT)计算揭示铁掺杂可降低*OOH中间体形成能垒，优化钴活性中心的电子结构，这是提升OER活性的关键机制。

这项研究的意义在于：首次将天然埃洛石作为双功能模板用于合成金属硅酸盐电催化剂，开发出性能媲美贵金属的低成本OER催化剂。通过铁掺杂与结构调控的协同效应，实现了对材料电子结构和表面特性的精准调控。该工作为设计高性能非贵金属电催化剂提供了新思路，对推动可再生能源转化技术发展具有重要价值。论文发表在《Journal of Colloid and Interface Science》，通讯作者为Jinsheng Liang。

主要技术方法包括：以埃洛石为硅源的水热合成、XRD/SEM/XPS等材料表征技术、标准三电极体系电化学测试、基于DFT的理论计算等。

【Effect of hydrothermal temperature】
XRD证实150°C水热处理的样品结晶度最佳，过电位最低(292 mV)。温度过高会导致纳米片团聚，活性位点减少。

【Conclusions】
最优样品CoFeSi-10的过电位比CoSi降低65 mV，稳定性测试后活性保持91.3%。理论计算证明铁掺杂通过优化钴d带中心位置和降低*OOH形成能垒来增强OER活性。

【CRediT authorship contribution】
Pengfei Zhou和Hairui Yao为共同第一作者，Jinsheng Liang为通讯作者。国际合作者包括俄罗斯科学家Nikita A. Morozov等。

该研究通过"天然模板+元素掺杂"的双重策略，突破了过渡金属硅酸盐OER催化剂的性能瓶颈。埃洛石模板赋予材料独特的分级孔道结构，铁掺杂则调控了钴活性中心的电子特性，两者协同作用显著提升了催化活性和稳定性。这项工作不仅为OER催化剂设计提供了新范式，也为粘土矿物在能源材料领域的应用开辟了新途径。