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Selective Boron Occupation at Tetrahedral Cation Sites in Co 3 O 4 Enables Self-Adaptive Electron Transfer for Enhanced Water Oxidation

化学 离域电子 电子转移 催化作用 拉曼光谱 共价键 八面体 电化学 无机化学 电子 电解质 四面体 吸收(声学) 氧化态 氧烷 氧化还原 光化学 化学工程 质子化 化学物理 电子结构 溶剂化电子 纳米技术 吸收光谱法 堆积 原位
作者
Fang Yang,Qian Zhu,Xiangyan Hou,Haijin Ni,Zhiyu Shao,Na Liang,Mengpei Jiang,Xiaofeng Wu,Yangguang Li,Huaqiao Tan,Xiangdong Yao,Keke Huang,Shouhua Feng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (13): 13785-13797
标识
DOI:10.1021/jacs.5c21174
摘要

The uncontrollable reconstruction of electrocatalysts, such as the detrimental overoxidation of Co3O4 during alkaline water oxidation, severely impedes the synergistic enhancement of activity and stability. Therefore, achieving adaptive electron transfer during reactions to maintain an active and stable state is critical, yet it remains largely unexplored. Herein, a novel catalyst in which metalloid boron selectively occupies the tetrahedral cobalt sites in Co3O4 is designed to overcome this dilemma, and its atomic structure is unequivocally confirmed by 11B-enriched neutron powder diffraction. The activity of octahedral cobalt is enhanced as boron suppresses covalent competition, while the operational stability is maintained through the adaptive electronic tuning of [BO4] units, which possess electrons delocalized over extended spatial dimensions. Specifically, electrons transfer from cobalt to boron at lower potentials to activate cobalt but reverse at higher potentials to sustain Co3+ states by suppressing overoxidation, as demonstrated by operando Raman spectroscopy, X-ray absorption spectroscopy, and quasi-in situ X-ray photoelectron spectroscopy. Consequently, (Co0.86B0.14)Co2O4 achieves superior activity and stability in both three-electrode and electrolytic cell systems, outperforming the vast majority of Co3O4-based catalysts. This study pioneers an adaptive regulation strategy by precisely anchoring [BO4] units, providing a general design principle for next-generation adaptive electrocatalysts that combine high activity with robust stability.
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