CeO2/FeOOH异质结构电催化剂中氧化还原缓冲系统稳定晶格氧机制及其在阴离子交换膜水电解槽中的应用研究

本文创新性地构建了CeO2/FeOOH异质结构电催化剂，通过功函数差异驱动的界面电子重分布，形成Ce3+/Ce4+氧化还原缓冲系统，显著提升了晶格氧机制（LOM）的稳定性。该催化剂在阴离子交换膜电解槽（AEMWE）中实现500 mA cm?2@1.69 V的工业级性能，并展现100小时超长稳定性，为设计高效耐用的OER催化剂提供了新范式。

　　

Abstract

研究团队通过简易共沉淀法构建CeO₂/FeOOH异质结构，利用CeO₂(4.96 eV)与FeOOH(3.58 eV)的功函数差异，在界面形成内置电场。电子从FeOOH向CeO₂转移产生双重效应：一方面使FeOOH获得高氧化态，增强Fe-O共价性促进晶格氧参与氧析出反应(OER)；另一方面在CeO₂侧形成富电子Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对和氧空位，构成"氧化还原缓冲系统"。

Graphical Abstract

透射电镜显示异质结构中CeO₂保持(111)晶面(3.12 ?间距)，而FeOOH呈非晶态。XPS证实界面处Ce³⁺比例提升至28.18%，Fe³⁺/Fe²⁺比值达84.16%，氧空位浓度达44%。拉曼光谱中500-700 cm^?1的D带和¹⁸O同位素标记实验共同验证了晶格氧参与机制。

1 Introduction

传统吸附质演化机制(AEM)受线性比例关系限制，而晶格氧机制(LOM)通过直接O-O耦合可突破此限制。但高氧化态金属位点易导致氧空位形成和金属溶解。研究选择FeOOH作为模型材料，其在高氧化态活性和稳定性间存在固有矛盾，尤其在工业级电流密度(>1 A cm^?2)下会形成可溶的FeO₄^2?。引入CeO₂作为电子缓冲物种的创新设计，为解决这一关键问题提供了新思路。

2 Results and Discussion

电化学测试显示异质结构在10 mA cm^?2电流密度下过电位仅261 mV，塔菲尔斜率37.12 mV dec^?1，电荷转移电阻1.67 Ω cm^?2。pH依赖性实验显示2.45 dec pH^?1的强相关性，显著高于FeOOH(1.72 dec pH^?1)，证实LOM主导机制。稳定性测试中，1 A cm^?2下100小时降解率仅0.197 mV h^?1，ICP-AES检测电解液中Fe溶解量仅0.03 ppm，比纯FeOOH降低89%。

3 Conclusion

该研究开创性地提出"氧化还原缓冲系统"概念，通过CeO₂的电子存储/供给功能动态稳定高氧化态FeOOH。AEMWE测试中500 mA cm^?2@1.69 V的性能达到商用IrO₂水平，且质量活性提升3.4倍。这项工作为设计兼具高活性和稳定性的LOM催化剂提供了普适性策略，推动电解水制氢技术向工业化应用迈进。

4 Experimental Section

采用1000 RPM高速搅拌共沉淀法，控制Ce/Fe摩尔比0.6:0.4。电极制备使用PVDF粘结剂(20 wt%)和碳黑(10 wt%)的NMP浆料，负载量2.5 mg cm^?2。AEMWE测试采用X37-50膜和Pt/C阴极，在80℃下进行。通过分解过电位证实异质结构使电荷转移过电位降低至0.39 V(1 A cm^?2)，气泡释放特性得到显著改善。