外延生长工程化的CoS@CoSe异质结，用于增强氧气析出反应

《Journal of Allergy and Hypersensitivity Diseases》：Epitaxial growth-engineered CoS@CoSe 2 heterojunction for enhanced oxygen evolution reaction

氧析出反应异质结催化剂设计及性能优化。

　　
该研究聚焦于高效氧析出反应（OER）催化剂的开发，通过创新性的异质结界面工程策略，成功制备出CoS@CoSe?复合催化剂。研究团队通过两步水热原位生长法，在无定形CoS纳米块表面实现了单晶CoSe?纳米棒的异质外延生长。这种独特的异质结构不仅优化了催化剂的电子传输路径，更显著提升了活性位点的密度和能量效率。

在实验方法层面，研究采用分步水热合成技术：首先通过水热反应在碳布基底上直接合成CoS纳米结构，随后将样品浸入CoSe?前驱体溶液中进行二次水热处理。通过精确控制反应参数，实现了两种不同硫化物/硒化物晶格的原子级界面结合。XRD和SEM分析显示，CoSe?纳米棒沿[001]晶向择优生长，与CoS基底形成约15°的晶格失配角，这种晶格匹配的异质结构有效抑制了界面缺陷，增强了载流子迁移率。

DFT计算揭示了异质结的电子调控机制：CoS与CoSe?的功函数差异（约1.2 eV）导致异质界面处形成定向电荷转移。这种电荷再分布使CoSe?表面呈现电子亏损状态，显著降低了OH?吸附能（计算显示吸附能从-0.85 eV降至-0.68 eV），从而降低了反应的活化能壁垒。同时，异质结界面处的态密度在费米能级附近出现显著增强（总态密度提升约23%），表明电子散射效应减弱，载流子传输效率提高。

电化学测试数据显示，该催化剂在1M KOH电解液中展现出突破性性能：在10 mA/cm2电流密度下仅需115 mV过电位，较传统单相催化剂（如纯CoS需210 mV，CoSe?需145 mV）提升效率达58%。循环测试表明，经过500小时连续运行，电流密度仍保持9.2 mA/cm2，活性衰减率低于5%。通过原位FTIR和电化学阻抗谱分析，证实异质结界面能有效促进反应中间体的吸附-脱附循环，将氧析出反应的活化步骤从四个电子耦合过程优化为更高效的电子转移路径。

该研究提出的"阶梯式原位生长法"为异质结催化剂设计提供了新范式：首先通过基底材料调控电子结构，再通过异质外延生长实现电荷定向传输。这种策略成功克服了传统异质结催化剂中常见的界面电荷耗散问题，使催化剂的d带中心位置发生优化偏移（计算显示d带中心下移0.32 eV），更适合作 intermediates的吸附位点。

在产业化应用方面，研究团队开发的制备工艺具有显著优势：1）两步水热法无需复杂的前驱体处理，原料成本降低40%；2）异质结结构使催化剂在宽pH范围（3-11）内保持稳定性能；3）通过碳布基底的可设计性，该催化剂可适配不同的电解水装置。经中试评估，基于该催化剂的电解槽系统在1kW规模下能耗较传统IrO?基系统降低28%。

该成果对新能源技术发展具有重要启示：通过精准的异质结界面工程，不仅能提升催化剂的本征活性，还可优化电荷传输路径。这种"结构-电子-化学"协同调控机制为开发下一代非贵金属OER催化剂提供了理论依据和实践指导。后续研究可进一步探索异质结界面的动态演变机制，以及多组分异质结构的协同效应。