光解水、電解水和光電解水制氫具有水資源資源雄厚、可循環(huán)以及可與燃料電池相結(jié)合等上風(fēng)，是實(shí)現(xiàn)清潔能源和氫能經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的緊張途徑。但陽極氧析出反應(yīng)（Oxygen evolution reaction, OER）是復(fù)雜的四電子反應(yīng)過程，具有較高的過電勢，是阻礙電化學(xué)水分解制氫的關(guān)鍵因素。貴金屬Ru和Ir的氧化物是公認(rèn)的性能最優(yōu)的OER催化劑，但其昂貴的價(jià)格及稀缺性制約了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，發(fā)展可替換的非貴金屬催化劑材料成為近幾年的研究熱點(diǎn)。

最近，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授課題組在非貴金屬催化劑材料中首次發(fā)現(xiàn)基于極短氫鍵的雙中間分解水的氧析出催化機(jī)理和高性能催化材料，該研究成果以封面文章發(fā)表在近期的國際材料領(lǐng)域頂級科研期刊ACS Catalysis（ACS Catal. 2018, 8, 466?473, 影響因子IF=10.6）上。

ACS Catalysis封面

研究團(tuán)隊(duì)采用溶劑法合成了三種相結(jié)構(gòu)的Li₂CoSiO₄（β

北京大學(xué)函授報(bào)名、北京大學(xué)成人高考報(bào)名

II、βI、γ0）納米顆粒，研究了Li₂CoSiO₄納米晶的三個相（βII、βI、γ0）在堿性條件下的OER性能。研究發(fā)現(xiàn)βII相的Li₂CoSiO₄是高效和低成本的OER催化劑，OER性能（10mAcm^-2電流密度下的過電勢為270mV，Tafel斜率為44mVdec^-1）超過了基準(zhǔn)的IrO₂和近年來報(bào)道的一系列的鈷基催化劑。在1.55V恒壓100小時(shí)的析氧電流沒有任何衰減，證實(shí)具有優(yōu)秀的析氧穩(wěn)固性。

OER性能及100小時(shí)的析氧穩(wěn)固性

并且，通過實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合，課題組闡明了βII相Li₂CoSiO₄優(yōu)秀的OER性能背后的機(jī)理：Li₂CoSiO₄在催化過程中外觀會發(fā)生脫鋰，導(dǎo)致Co四面體活性位會在脫鋰過程發(fā)生結(jié)構(gòu)重排；與βI和γ0相結(jié)構(gòu)不同的是，βII相脫鋰后Co四面領(lǐng)會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致其外觀會形成2.54埃的“極短氫鍵”。在βII相外觀的這種極短氫鍵可以以極低的能壘使得質(zhì)子在相鄰的兩個氧（OH…O）之間轉(zhuǎn)移，促進(jìn)了水在該催化條件下快速分解，形成了獨(dú)特的基于“極短氫鍵”的“雙中間”分解水催化過程（尋常的氧化物催化分解水時(shí)只要一個過渡金屬與OH結(jié)合，因此是單中間的催化機(jī)理），從而降低水分解OER的過電勢。這一效果將擴(kuò)大目前OER催化劑的設(shè)計(jì)范圍，有助于高效水分解催化劑的研發(fā)。

βII相Li₂CoSiO₄外觀短氫鍵的形成及雙中間催化OER反應(yīng)的機(jī)理

該工作是由潘鋒教授引導(dǎo)，博士后楊金龍、鄭家新副研究員及2014級碩士生許明作為共同第一作者與團(tuán)隊(duì)其他成員合作完成的，美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的楊萬里教授參與同步輻射x-ray吸取譜的測量，汪林望教授參于相干的理論計(jì)算與機(jī)理分析。本項(xiàng)目得到國家材料基因組重點(diǎn)專項(xiàng)、廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和深圳市科研經(jīng)費(fèi)的支撐。

文章鏈接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.7b02814

參考文獻(xiàn)：Jinlong Yang+, Jiaxin Zheng+, Ming Xu+, Zengqing Zhuo, Wanli Yang, Lin-Wang Wang, Liming Dai, Jun Lu, Khalil Amine, and Feng Pan*, Short Hydrogen Bonds on Reconstructed Nanocrystal Surface Enhance Oxygen Evolution Activity, ACS Catalysis, 2018, 8, 466?473.

編輯：山石

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