析氧反應(yīng)（OER）是電解水和二次金屬-空氣電池等能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)器件中重要的半反應(yīng)。但是，OER的反應(yīng)能壘過高、動(dòng)力學(xué)遲緩，而且，基于貴金屬的傳統(tǒng)電催化劑價(jià)格昂貴。

因此，開發(fā)新型非貴金屬電催化劑的需求十分迫切。非晶態(tài)電催化劑擁有豐富的活性中心，而晶態(tài)催化劑則表現(xiàn)出良好的電子轉(zhuǎn)移特性。合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化電催化劑的微觀結(jié)構(gòu)和組成，構(gòu)建雙相納米復(fù)合材料，為提高OER性能提供了更多的可能性。同時(shí)，原位表征技術(shù)和理論計(jì)算相結(jié)合，有望進(jìn)一步揭示OER的催化機(jī)制。?

最近，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所王家成研究員課題組制備出一種具有結(jié)晶-非晶雙相結(jié)構(gòu)的微晶玻璃（Ni1.5Sn@triMPO4）并用于電催化OER。該研究成果以“A glass-ceramic with accelerated surface reconstruction toward the efficient oxygen evolution reaction”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Angewandte Chemie International Edition上，并且被選為Very Important Paper (VIP)。文章共同通訊作者為王家成研究員，馬汝廣副研究員和北京工業(yè)大學(xué)劉丹敏研究員。?

微晶玻璃加速表面重構(gòu)促進(jìn)OER反應(yīng)

該研究從SnFeNi鈣鈦礦氫氧化物（前期工作發(fā)表于J. Mater. Chem. A. 2020, 8, 5919-5926）出發(fā)，通過低溫磷化得到Ni1.5Sn@triMPO4微晶玻璃。進(jìn)一步利用電化學(xué)活化，使得部分陽(yáng)離子Sn4+和陰離子PO43-析出，加速微晶玻璃的表面重構(gòu)，在催化劑表面生成了具有本征氧空位VO和殘留PO43-的活性層（Ni(Fe)OOH-VO-PO4）。與對(duì)照樣品相比，這種表面重構(gòu)后的微晶玻璃的過電位顯著降低，OER動(dòng)力學(xué)得到增強(qiáng)，可與大多數(shù)非貴金屬電催化劑相媲美。

理論計(jì)算表明：Sn的低空位形成能和VO位點(diǎn)上PO43-的高吸附能，加速了微晶玻璃的表面重構(gòu)；殘留的PO43-和VO位點(diǎn)導(dǎo)致鄰近Ni原子的電荷轉(zhuǎn)移，使d帶中心更接近費(fèi)米能級(jí)。這種電荷分布優(yōu)化了金屬羥基氧化物上OH*和OOH*中間體的吸附，提升了OER活性。該研究證明了微晶玻璃在促進(jìn)表面重構(gòu)過程中的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，為先進(jìn)電催化劑的設(shè)計(jì)提供了新的思路。?

王家成研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于新型電催化材料與能源器件方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。2020年，課題組在實(shí)驗(yàn)與計(jì)算相結(jié)合的材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與催化機(jī)理研究中取得多項(xiàng)新進(jìn)展：利用電子局域化增強(qiáng)氧還原動(dòng)力學(xué)（Nature Mater., 2020, 19, 282; ACS Catal., 2020, 10, 9366; Appl. Catal. B: Environ., 2020, 265, 118593）；通過位點(diǎn)設(shè)計(jì)和電子結(jié)構(gòu)調(diào)控提升析氫活性（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003484; Energy Environ. Sci., 2020, 13, 4249; Adv. Energy Mater., 2020, 10, 2000067; J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 3436; ChemSusChem, 2020, 13, 2739）。?

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委等項(xiàng)目的資助。?

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202014210?

文章來源：中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所