吉林大学殷红Small Structures：六方氮化硼/还原氧化石墨烯异质结用于硼自由基促进析氧反应的无金属电化学催化剂

研究背景

电解水技术被视为开发绿色和可再生能源的有效解决方案，析氧反应(OER)作为其中的关键反应步骤吸引了广泛关注。催化剂是OER的主要驱动力之一，目前，贵金属氧化物如IrO₂和RuO₂展现出最佳的催化效率，但贵金属储备稀缺价格昂贵且存在环境污染问题，限制了在能源技术方面的商业应用。而非金属和过渡金属材料虽成本较低，但导电性差、结构不稳定在很大程度上降低了电催化活性。因此，开发成本低、活性高、稳定性好的催化剂对清洁和可持续的能源转换和能源存储技术至关重要。六方氮化硼(h-BN)具有独特的物理化学性质，有望成为能够承受恶劣环境的稳定电催化剂，但由于其固有的化学惰性，h-BN通常被用作稳定的多功能载体而很少作为催化剂本身。近期，h-BN中的硼自由基被证实可以促进催化过程，为氮化硼作为电催化剂提供了新的思路，但具体的电化学反应机理尚不十分明确，还需进一步深入探究。

文章概述

吉林大学殷红教授课题组通过密度泛函理论(DFT)计算证明了h-BN可以通过与含缺陷的石墨烯形成非均相结构并产生活性硼自由基，促使大量的电子离域和电荷转移从而具有优越的催化活性。同时，设计合成了h-BN纳米片/还原氧化石墨烯(rGO)范德华异质结构复合催化剂，在碱性电解质中表现出优异的OER催化活性和稳定性。

该项工作表明，影响催化活性的因素包括电子转移位置、暴露的界面面积和范德华界面处的硼自由基。异质结构的形成可以显著驱动界面空位附近的C和B原子之间的电子转移，使惰性的h-BN具有半金属性质，从而降低了四电子OER动力学的自由能垒。此外，结构中π键的增强可以大大提高催化剂的稳定性，提升电子供体-受体性能。文章采用一步法合成了rGO/h-BN异质结构复合材料，质量比为1：3的rGO/h-BN在电流密度为10 mA cm⁻²时的过电位为420 mV，与无金属碳基OER催化剂的数值相当。该工作不仅确定了硼自由基和拓扑空位对h-BN活性的重要性，还为实现其它能量转换和存储领域中使用低成本、高效无金属电催化剂提供了可能。

图1. rGO/h-BN复合材料的理论模型及结构特征

图2. rGO/h-BN复合材料的OER电化学性能

论文信息：

Hexagonal Boron Nitride/Reduced Graphene Oxide Heterostructures as Promising Metal-Free Electrocatalysts for Oxygen Evolution Reaction Driven by Boron Radicals

Wei Zhan, Hongyan Wang, Jinling Gao, Xuemei Tang, Xingrui Zhu, Yuhan Xiao, Xiaoyan Sun, Wei Gao*, Hong Yin*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202300167