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太原理工大学薛晋波/石凯宁等:硫原子协同有序氧空位增强Fe2O3双功能电催化水分解活性

  • 2026-10-02 16:28:05
太原理工大学薛晋波/石凯宁等:硫原子协同有序氧空位增强Fe2O3双功能电催化水分解活性

Journal of 

Advanced Ceramics

2025年第14卷第10期

10.26599/JAC.2025.9221157

导读

面对日益严峻的环境挑战和能源短缺问题，开发新型绿色能源系统以替代传统化石燃料已成为人类迫切的需求。氢气（H₂）被视为未来环保且可再生的能源资源。其无可比拟的优势在于燃烧后仅产生水作为副产物。碱性水电解（AWE）技术被公认为最具前景的制氢方法之一，但其高昂成本阻碍了广泛应用，全球市场份额仍不足4%，微乎其微。同时铂、二氧化钌等贵金属电催化剂元素储量有限且成本高昂，限制了其大规模应用。因此，降低碱性水电解制备绿色氢气的成本，开发兼具高催化活性、低成本和优异稳定性的双功能非贵金属电催化剂，对于显著提升AWE的能源效率至关重要。
本研究采用Pd催化氧还原法和硫化热填充法制备了具有有序氧空位结构的一维Fe2O3纳米带阵列（HNBs-VO（LRO）-S），在保留有序氧空位结构的同时，使硫原子选择性填充陷阱态氧空位，从而提高Fe2O3双功能电催化剂的活性与稳定性。研究结果表明在1 M KOH条件下，HNBs-VO（LRO）-S对HER（226 mV@100 mA cm⁻²）和OER（262 mV@10 mA cm⁻²，306 mV@100 mA cm⁻²）均展现出卓越的电催化性能。此外，该双功能催化剂仅需1.92 V的低电池电压即可实现100 mA cm⁻²的电流密度，并在超过100小时的测试中展现出优异的长期稳定性。

文章亮点

（1）我们创新性地提出了“先引入氧空位再用硫原子填充”的方法，硫化物热处理并未破坏纳米带的微观形态和晶体结构，同时能够精确调控硫原子的掺杂位置，仅填充了陷阱态氧空位，保留有序的氧空位结构。

（2）有序氧空位结构不仅为催化反应中的电荷传输提供了定向快速通道，同时在催化反应中也充当了反应活性位点。

（3）硫原子填充氧空位陷阱态形成的Fe-S配位结构，既能稳定HNBs-VO（LRO）-S有序氧空位结构免遭催化反应破坏，同时硫原子还能为催化反应提供更多活性位点。此外，硫原子降低了OOH*转化为O2的自由能势垒，优化Fe2O3表面的ΔGH*，进一步提高Fe2O3双功能电催化剂的活性和稳定性。

作者及研究团队简介

薛晋波（通讯作者），太原理工大学副教授，博士生导师。主要从事半导体新材料在能源环境方面的应用研究。

石凯宁（第一作者），太原理工大学在读硕士研究生，研究方向为半导体光电催化水分解方面的研究。

Cite this article:

Shi K, Ding S, Zhang X, et al. Synergistic effect of sulfur atoms and ordered oxygen vacancies to enhance Fe2O3 bifunctional electrocatalytic water splitting activity. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(10): 9221157. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221157

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