Electrocatalysts based on oxygen vacancy-induced frustrated Lewis pairs for selective electrooxidation of ethylene glycol to formic acid

1 数据集基础信息1.1 数据集名称氧空位诱导受阻路易斯酸碱对型CoNiFe-LDH电催化乙二醇氧化制甲酸全维度实验与理论数据集1.2 数据来源文献Electrocatalysts based on oxygen vacancy-induced frustrated Lewis pairs for selective electrooxidation of ethylene glycol to formic acid，《Chinese Journal of Catalysis》，2026，第80卷，华东理工大学杨烜睿等研究团队产出。1.3 数据集覆盖内容数据集完整包含材料合成、微观结构表征、电化学性能测试、原位动态谱学、DFT理论计算、PET塑料降解应用六大类原始与处理后数据，覆盖物相、形貌、元素价态、电催化活性、反应中间体、反应能垒、稳定性等全部实验指标，配套图表、原始谱图、计算模型、定量统计表格。2 数据集产生完整流程（数据生成过程）2.1 催化材料合成数据生成流程本数据集催化剂采用水热辅助自蚀刻一步组装法制备，共合成4组对照样品，全程记录合成参数、原料配比、操作条件，形成合成工艺数据集：基底预处理：钴泡沫/镍泡沫裁剪为2 cm×6 cm，依次丙酮超声10 min除有机杂质、3 mol/L HCl超声10 min去除表面氧化层，去离子水冲洗后立即转入水热釜，记录清洗时长、溶剂用量、基底规格数据；前驱体溶液配制（4套配方，对应4组样品）：CoFe-LDH/CoFoam：8 mmol Fe(NO₃)₃·9H₂O + 12 mmol 尿素，60 mL去离子水；CoNiFe-LDH/CoFoam（主样品）：8 mmol Fe(NO₃)₃·9H₂O + 4 mmol Ni(NO₃)₂·6H₂O + 15 mmol 尿素，60 mL去离子水；NiFe-LDH/NiFoam：仅Fe源+尿素，基底替换为镍泡沫；NiCoFe-LDH/NiFoam：Fe、Co、Ni三元金属盐，基底镍泡沫；水热反应：PTFE内衬水热釜150 ℃恒温6 h，记录升温速率、保温时长、釜内溶液体积、基底固定方式；后处理冷却至室温，去离子水/乙醇交替冲洗3轮，60 ℃真空干燥12 h，记录干燥温度、真空度、干燥时长；全程同步记录原料批号、纯度、试剂用量、反应环境温湿度，形成合成工艺原始数据表。2.2 材料表征数据产生流程对4组样品开展形貌、晶体结构、元素分布、缺陷、电子价态表征，逐组采集原始图谱数据：微观形貌数据：SEM、TEM、HRTEM、HAADF-STEM拍摄纳米片形貌、晶格条纹、选区电子衍射(SAED)；同步采集EDS元素mapping（O/Fe/Co/Ni），输出灰度图像、元素分布强度、原子占比定量数据；晶体物相数据：XRD扫描10–80° 2θ区间，步长0.02°，采集衍射强度原始数据，对照标准PDF卡片（#50-0235、#40-0215）解析层间距、晶格畸变数据；电子价态与氧空位缺陷数据：XPS采集Ni 2p、Co 2p、Fe 2p、O 1s高分辨谱；EPR采集g=2.003氧空位特征信号强度，定量氧空位浓度；全部图谱原始文件、拟合分峰参数、峰面积、结合能、晶格间距数值统一归档。2.3 电化学性能数据产生流程电解液体系：1 mol/L KOH（OER测试）、1 mol/L KOH + 0.1 mol/L乙二醇（EGOR测试），三电极体系采集全部电化学原始曲线：阶梯伏安SCV：0.9–1.6 V vs RHE区间扫描，记录不同电流密度下电位，提取100 mA cm⁻²对应工作电位；Tafel曲线：基于SCV对数转换，计算Tafel斜率动力学参数；双电层电容Cdl：不同扫速CV（20–120 mV/s）非法拉第区间采集，计算ECSA电化学活性面积；电化学阻抗EIS：1.36 V恒定电位，0.01–10⁵ Hz频率区间采集Nyquist图，拟合溶液电阻Rs、电荷转移电阻Rct；产物法拉第效率FE：恒电流电解20–250 mA cm⁻²，电解1 h后取电解液，¹H NMR定量甲酸(FA)、乙醇酸(GA)浓度，计算不同电流下FA选择性；稳定性测试：100 mA cm⁻²恒电流计时电位160 h，每10 h更换电解液，记录电位随时间变化曲线；对照实验：纯NiFe-LDH/NiFoam同步测试，形成对比数据集。2.4 原位动态谱学数据产生流程（反应中间体实时数据）原位拉曼光谱：0.91–1.71 V梯度电位，分别在纯KOH、含乙二醇电解液采集400–1000 cm⁻¹拉曼信号，记录Co²⁺-O、CoOOH特征峰强度变化；原位ATR-SEIRAS红外光谱：4000–1000 cm⁻¹区间采集，记录乙二醇、乙醇酸中间体、甲酸根特征吸收峰，追踪C-O、COO⁻官能团动态演化；原位电化学阻抗Operando EIS：0.9–1.6 V全电位区间变频阻抗，输出相位角、阻抗等高图，区分FA生成、副产物GA、OER竞争反应对应阻抗特征。2.5 DFT理论计算数据产生流程构建3类原子模型：纯CoNiFe-LDH、无氧空位CoFe-LDH、含氧空位CoFe(Ov)-LDH/CoNiFe(Ov)-LDH：Bader电荷计算：定量Lewis酸位点Fe³⁺、Lewis碱位点空位邻位O电荷分布；EGOR全路径吉布斯自由能计算：记录乙二醇逐步脱氢、C-C键断裂、甲酸生成各中间体*CH₂(OH)CH₂OH、*CHOCH₂OH、*CHOCHO、CHOCHO、*HCOOH自由能；过渡态TS能垒计算：计算*CHOCHO断C-C键过渡态能量，对比不同催化剂断键能垒；输出原子结构坐标、电荷数值、自由能曲线、过渡态几何构型数据。2.6 实际应用体系数据产生流程PET塑料碱解液替代标准乙二醇电解液，重复全套电化学测试：PET水解配制1 mol/L KOH降解液，检测pH值；SCV极化曲线、恒电流电解FE测试，对比标准乙二醇体系活性、选择性差异，记录复杂有机杂质对催化性能的影响数据。3 数据集处理方法与标准化步骤3.1 图谱类数据预处理步骤基线校正：XRD、XPS、拉曼、红外原始谱图统一扣除设备基线噪声，消除背景干扰；分峰拟合：XPS O 1s、金属2p轨道采用高斯-洛伦兹函数分峰，固定半高宽，定量各价态/氧空位峰面积占比；图像标准化：SEM/TEM/STEM mapping统一亮度、对比度，标尺归一化，元素分布强度做归一化处理；衍射标定：SAED、XRD衍射环/峰位与标准PDF卡片匹配，布拉格方程计算层间距、晶格参数；EPR信号归一化：以基线为基准，统一g因子校准，氧空位信号强度标准化用于定量对比。3.2 电化学数据标准化处理iR补偿：全部电化学曲线统一进行溶液内阻iR校正，消除电解液压降误差；电位统一转换：全部电位转换为可逆氢电极RHE标度，消除参比电极差异；电流归一化：分别采用几何面积、ECSA活性面积双标准归一化电流密度，区分表观活性与本征活性；Tafel拟合：0.05–100 mA cm⁻²线性区间线性拟合，输出斜率、截距；NMR定量校正：以氘代水TMSP为内标，校正甲酸、乙二醇核磁峰积分面积，法拉第效率计算公式标准化：FE(FA)=（生成甲酸转移电子总量/总电解电量）×100%；稳定性数据降噪：160 h计时电位曲线滑动平均降噪，剔除电解液更换瞬时电位波动异常点。3.3 DFT计算数据后处理能量零点校准：以乙二醇分子自由能为统一零点对齐各反应中间体自由能；电荷归一化：Bader电荷数值统一单位，对比有无Ni掺杂、有无氧空位的电荷偏移量；过渡态能垒修正：零点能ZPE校正，消除理论计算零点能量误差。3.4 数据质控与筛选规则平行实验筛选：每组合成、电化学测试设置3组平行样，剔除偏差＞10%的异常数据，取平均值作为标准数据集；空白对照扣除：纯泡沫基底、无催化剂电解液空白实验数据统一扣除，消除基底、电解液背景电流；重复表征校验：XRD、XPS、拉曼重复测试2次，图谱重合度＞95%方可纳入数据集；理论模型校验：晶格参数与实验XRD层间距误差＜0.05 Å，模型有效纳入。4 数据集采集、计算使用设备与软件工具4.1 材料合成设备恒温磁力搅拌器、100 mL聚四氟乙烯内衬水热反应釜、鼓风干燥箱、真空干燥箱；超声清洗机、高精度电子天平（精度0.0001 g）、超纯水机（18.25 MΩ·cm）；试剂：麦克林、阿拉丁、Sigma-Aldrich高纯金属硝酸盐、尿素、KOH、乙二醇等。4.2 材料表征仪器设备形貌表征：场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨HRTEM、球差校正HAADF-STEM、能谱仪(EDS)；晶体结构：X射线粉末衍射仪(XRD)；电子态/缺陷：X射线光电子能谱仪(XPS)、电子顺磁共振波谱仪(EPR)；原位谱学：原位共聚焦拉曼光谱仪、原位衰减全反射表面增强红外光谱仪(ATR-SEIRAS)。4.3 电化学测试设备电化学工作站（三电极体系）：工作电极为制备的LDH/金属泡沫，参比电极Hg/HgO，对电极铂片；核磁波谱仪(¹H NMR)：定量电解液有机产物；恒电流电解装置、恒温电解槽（控制电解液温度稳定）。4.4 DFT理论计算硬件与软件计算硬件：高性能计算集群；计算软件：VASP第一性原理计算软件；后处理工具：VESTA（原子结构可视化）、Bader电荷分析程序、Origin（自由能曲线绘图）。4.5 数据处理、绘图通用软件工具图谱拟合：XPS Peak、Jade（XRD解析）、WiRE（拉曼处理）、OMNIC（红外光谱）；电化学数据处理：CHI电化学工作站配套软件、EC-Lab；绘图统计：Origin 2024（曲线、柱状图、热图）、Photoshop（电镜图像调色）；数据归档：Excel（定量数据表）、PDF（原始图谱导出）、VASP输出文件（理论原始计算数据）。5 数据集存储与输出格式原始实验数据：仪器导出原生文件（.raw、.spt、.dat、.mpr等）；处理后数值数据：Excel表格（合成参数、电化学定量、NMR浓度、DFT能量、分峰面积）；可视化图谱：PNG/TIFF高清图像（SEM、TEM、XRD、电化学曲线、原位谱图、理论模型图）；理论计算文件：VASP输入输出文件（POSCAR、OUTCAR、CHGCAR电荷文件）；配套补充数据：支撑信息表格S1–S18、对照实验原始图谱、平行实验重复数据。6 数据集用途说明电催化LDH缺陷工程、受阻路易斯酸碱对(FLP)催化机制建模与验证；乙二醇电氧化选择性调控、C-C键断裂机理数据支撑；塑料PET资源化耦合电解水产氢工艺参数优化；非贵金属电催化剂性能对比、Tafel斜率、法拉第效率等催化指标基准数据集；DFT理论计算缺陷催化能垒建模训练数据集。