9X-cxy 科研圈 2024年09月30日 08:31 广东
目前，有望通过提供高度可用的活性位点和介导催化活性/稳定性，同时激活金属和晶格氧位点以构建兼容的多机制催化，以促进析氧反应（OER），但是仍然存在重大挑战。2024年9月27日，武汉理工大学木士春教授在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Fe-S dually modulated adsorbate evolution and lattice oxygen compatible mechanism for water oxidation》的研究论文，团队成员罗旭、赵宏宇、谭鑫为论文共同第一作者，木士春教授为论文通讯作者。在此，作者通过在OER过程中完全重构NiMoO4·xH2O@Fe,S，合成了Fe和S双重调制的NiFe羟基氧化物（R-NiFeOOH@SO4），实现了兼容的吸附质演化机制和晶格氧氧化机制，同时优化了金属/氧位点，并通过原位光谱/质谱和化学探针进行了证实。进一步的理论分析表明，Fe在吸附质演化机制下促进OER动力学，而S在晶格氧氧化机制下激发晶格氧活性，表现为O 2p能带中心上移、d-d库仑作用增强、金属-氧键减弱和中间吸附自由能优化。得益于兼容的多机制，R-NiFeOOH@SO4只需要251±5/291±1mV的过电位，就能在碱性介质中驱动100/500 mA cm-2的电流密度，稳定时间超过300 h。这项工作有助于理解OER机制，从而更好地设计高性能OER催化剂。
图1：R-NiFeOOH@SO4制备示意图和形貌表征
图2：催化剂的电子和配位结构
图3：催化剂的电催化OER性能
图4：催化剂的AEM-LOM OER催化兼容性分析
图5：密度泛函理论（DFT）计算分析综上，本研究设计并合成了一种经过Fe和S双重调节的NiFe羟基氧化物（R-NiFeOOH@SO4），通过在析氧反应（OER）过程中对NiMoO4·xH2O@Fe, S的完全重构，实现了吸附态演化机制和晶格氧氧化机制的兼容，并同时优化了金属/氧位点。这项研究为设计新型高效的非贵金属OER催化剂提供了理论基础和实验方法，具有重要的科学价值和应用前景。其有望推动电解水技术的进一步发展，有助于实现更高效、成本更低的绿色能源生产，特别是在需要长期稳定运行的电解水制氢技术中。
Luo, X., Zhao, H., Tan, X.et al. Fe-S dually modulated adsorbate evolution and lattice oxygen compatible mechanism for water oxidation. Nat. Commun. 15, 8293 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52682-y.