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麥立強(qiáng)等最新Nature子刊：電場(chǎng)輔助質(zhì)子耦合增強(qiáng)析氧反應(yīng)！

第一作者：Xuelei Pan

通訊作者：麥立強(qiáng)，晏夢(mèng)雨，趙云龍, Shik Chi Edman Tsang

通訊單位：武漢理工大學(xué)，英國(guó)帝國(guó)理工，牛津大學(xué)

論文速覽

析氧反應(yīng)（OER）作為生物和化學(xué)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，在諸如人工光合作用、電催化水分解和可充電金屬空氣電池等領(lǐng)域扮演著重要角色。然而，OER的高能壘和緩慢的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)限制了這些技術(shù)的效率。盡管模仿自然界中高效酶催化過(guò)程的合成催化劑已被廣泛研究，但其效率仍不及生物體內(nèi)的光系統(tǒng)II中的Mn₄CaO_x簇。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，本研究以α-MnO₂為模型催化劑，探索了通過(guò)外部電場(chǎng)調(diào)節(jié)質(zhì)子耦合來(lái)增強(qiáng)OER的可能性。作者揭示了預(yù)平衡質(zhì)子耦合氧化還原躍遷為OER提供了可調(diào)的能量分布，為通過(guò)新的“試劑”——外電場(chǎng)原位增強(qiáng)質(zhì)子耦合鋪平了道路。基于α-MnO2單納米線器件，在1.7 V下，通過(guò)電壓調(diào)控，OER電流密度增加4倍。

此外，用于水分解的原理驗(yàn)證外部電場(chǎng)輔助陰離子交換膜（AEM）電池顯示電流密度34%的提升和凈輸出功率44.7 mW/cm2的增加。這些成果不僅增進(jìn)了對(duì)OER中質(zhì)子作用的理解，還為開發(fā)高效電催化劑提供了新的方法和策略。

圖文導(dǎo)讀

圖1: α-MnO₂的原子結(jié)構(gòu)和OER過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變監(jiān)測(cè)

圖2: α-MnO₂中OER過(guò)程中質(zhì)子的表征

圖3: 單個(gè)α-MnO₂納米線器件的電化學(xué)性能

圖4: 外部電場(chǎng)輔助的AEM電池整體水分解的電化學(xué)性能

總結(jié)展望

本研究的亮點(diǎn)在于通過(guò)外部電場(chǎng)輔助的方法顯著提升了α-MnO₂的析氧反應(yīng)性能。研究結(jié)果證實(shí)了通過(guò)調(diào)節(jié)質(zhì)子耦合的氧化還原躍遷可以有效地增強(qiáng)MnO₂的OER性能。此外，通過(guò)外部電場(chǎng)增強(qiáng)的AEM電池系統(tǒng)在水分解中也顯示出了顯著的性能提升，這為實(shí)際水分解設(shè)備的優(yōu)化提供了新的思路。

研究結(jié)論指出，外部電場(chǎng)通過(guò)改變表面配位場(chǎng)環(huán)境和可控地影響MnO₂的氧化還原躍遷，從而有利于調(diào)節(jié)吸附機(jī)制和電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。這項(xiàng)研究不僅增進(jìn)了對(duì)OER機(jī)制的理解，也為開發(fā)新一代電化學(xué)模型提供了機(jī)會(huì)。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Electric-field-assisted proton coupling enhanced oxygen evolution reaction

期刊：Nature Communications

原創(chuàng)文章，作者：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/04/21/32f2a0d81b/

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圖2: α-MnO2中OER過(guò)程中質(zhì)子的表征

圖3: 單個(gè)α-MnO2納米線器件的電化學(xué)性能

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