目前，有望通過(guò)提供高度可用的活性位點(diǎn)和介導(dǎo)催化活性/穩(wěn)定性，同時(shí)激活金屬和晶格氧位點(diǎn)以構(gòu)建兼容的多機(jī)制催化，以促進(jìn)析氧反應(yīng)（OER），但是仍然存在重大挑戰(zhàn)。2024年9月27日，武漢理工大學(xué)木士春教授在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Communications發(fā)表題為《Fe-S dually modulated adsorbate evolution and lattice oxygen compatible mechanism for water oxidation》的研究論文，團(tuán)隊(duì)成員羅旭、趙宏宇、譚鑫為論文共同第一作者，木士春教授為論文通訊作者。在此，作者通過(guò)在OER過(guò)程中完全重構(gòu)NiMoO4·xH2O@Fe,S，合成了Fe和S雙重調(diào)制的NiFe羥基氧化物（R-NiFeOOH@SO4），實(shí)現(xiàn)了兼容的吸附質(zhì)演化機(jī)制和晶格氧氧化機(jī)制，同時(shí)優(yōu)化了金屬/氧位點(diǎn)，并通過(guò)原位光譜/質(zhì)譜和化學(xué)探針進(jìn)行了證實(shí)。進(jìn)一步的理論分析表明，F(xiàn)e在吸附質(zhì)演化機(jī)制下促進(jìn)OER動(dòng)力學(xué)，而S在晶格氧氧化機(jī)制下激發(fā)晶格氧活性，表現(xiàn)為O 2p能帶中心上移、d-d庫(kù)侖作用增強(qiáng)、金屬-氧鍵減弱和中間吸附自由能優(yōu)化。得益于兼容的多機(jī)制，R-NiFeOOH@SO4只需要251±5/291±1mV的過(guò)電位，就能在堿性介質(zhì)中驅(qū)動(dòng)100/500 mA cm-2的電流密度，穩(wěn)定時(shí)間超過(guò)300 h。這項(xiàng)工作有助于理解OER機(jī)制，從而更好地設(shè)計(jì)高性能OER催化劑。
圖1：R-NiFeOOH@SO4制備示意圖和形貌表征
圖2：催化劑的電子和配位結(jié)構(gòu)
圖3：催化劑的電催化OER性能
圖4：催化劑的AEM-LOM OER催化兼容性分析
圖5：密度泛函理論（DFT）計(jì)算分析
綜上，本研究設(shè)計(jì)并合成了一種經(jīng)過(guò)Fe和S雙重調(diào)節(jié)的NiFe羥基氧化物（R-NiFeOOH@SO4），通過(guò)在析氧反應(yīng)（OER）過(guò)程中對(duì)NiMoO4·xH2O@Fe, S的完全重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了吸附態(tài)演化機(jī)制和晶格氧氧化機(jī)制的兼容，并同時(shí)優(yōu)化了金屬/氧位點(diǎn)。這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)新型高效的非貴金屬OER催化劑提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)方法，具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。其有望推動(dòng)電解水技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有助于實(shí)現(xiàn)更高效、成本更低的綠色能源生產(chǎn)，特別是在需要長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的電解水制氫技術(shù)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.