近日，在国家自然科学基金等项目的资助下，基础与前沿研究院张永起研究员团队在《Advanced Materials》发表题为“Dual Doping of N and F on Co₃O₄ to Activate the Lattice Oxygen for Efficient and Robust Oxygen Evolution Reaction”的研究论文。2021级博士研究生李晨为论文第一作者，张永起研究员为论文共同通讯作者，电子科技大学基础与前沿研究院第一单位。

析氧反应（OER）作为水电解制氢、金属-空气电池等清洁能源技术的核心半反应，其动力学迟缓和多步电子转移过程的复杂性严重制约着能量转换效率。尽管铱、钌等贵金属基催化剂展现出卓越活性，但稀缺性和高昂成本极大限制了其规模化应用。以尖晶石型四氧化三钴（Co₃O₄）为代表的非贵金属氧化物虽具有成本优势，却受限于传统吸附演化机制（AEM）——该路径因*OOH/*O中间体的线性缩放关系存在370 mV的理论过电位极限，导致实际催化性能难以突破。

近年来，通过异质原子掺杂调控金属-氧键共价性，诱导OER路径从AEM向晶格氧机制（LOM）转变的策略备受关注。LOM通过直接耦合表面吸附氧与晶格氧形成O-O键，能有效规避传统路径的能垒限制。然而，这种策略面临严峻挑战：掺杂原子邻近的晶格氧通过LOM路径同步参与反应，引发局部结构崩塌，导致活性位点流失和催化剂失活。如何实现晶格氧活化的同时维持结构稳定性，成为该领域亟待攻克的关键难题。

张永起研究员团队一直致力于等离子体技术在新型能源材料的应用研究以及个性化等离子体装备的开发。经过近五年的研究探索，该团队最近利用具有自主知识产权的一体化等离子体装置（图1），首次将固体氟化铵（NH4F）作为等离子体源，成功地将氮（N）和氟（F）引入至Co₃O₄纳米线中（图2）, 通过氮（N）和氟（F）双掺杂策略，成功激活Co₃O₄的晶格氧机制（LOM），显著提升OER性能。

图1 一体化等离子体设备模型图

图2 N,F-Co₃O₄的合成示意图及成分与结构

团队还利用拉曼光谱、同步辐射谱学等先进表征技术证实了N和F的协同作用显著增强了钴-氧键的共价性。电化学测试结果表明，相较于单掺杂及未掺杂的原样，N,F-Co₃O₄析氧催化剂展现出更优异的OER性能，10 mA cm−2电流密度下的过电势仅为254 mV。pH依赖性、化学探针和原位电化学微分质谱等一系列测试证明了N和F掺杂的Co₃O₄在OER中遵循晶格氧机制。更为重要的是，该催化剂在20、150和400 mA cm−2大电流下保持显著稳定性。此外，该材料在含0.5 M NaCl和1 M KOH混合电解液中仅需285 mV过电势即可达到20 mA cm−2，且在整体水分解体系中表现卓越。该研究为OER机制提供了深刻理解，并为提升尖晶石氧化物电催化活性提供了关键策略。