基於極短氫鍵雙中心分解水催化機理研究獲進展

據新浪消息：光解水
、電解水和光電解水製氫具有水資源資源豐富、可循環以及可與燃料電池相結合等優勢，是實現清潔能源和氫能經濟可持續發展的重要途徑。但陽極氧析出反應（Oxygen evolution reaction, OER）是複雜的四電子反應過程，具有較高的過電勢
，是阻礙電化學水分解製氫的關鍵因素。貴金屬Ru和Ir的氧化物是公認的性能最優的OER催化劑，但其昂貴的價格及稀缺性製約了其大規模應用。因此
，發展可替代的非貴金屬催化劑材料成為近幾年的研究熱點。

最zui近jin，北bei京jing大da學xue深shen圳zhen研yan究jiu生sheng院yuan新xin材cai料liao學xue院yuan潘pan鋒feng教jiao授shou課ke題ti組zu在zai非fei貴gui金jin屬shu催cui化hua劑ji材cai料liao中zhong首shou次ci發fa現xian基ji於yu極ji短duan氫qing鍵jian的de雙shuang中zhong心xin分fen解jie水shui的de氧yang析xi出chu催cui化hua機ji理li和he高gao性xing能neng催cui化hua材cai料liao
，該gai研yan究jiu成cheng果guo以yi封feng麵mian文wen章zhang發fa表biao在zai近jin期qi的de國guo際ji材cai料liao領ling域yu頂ding級ji科ke研yan期qi刊kanACS Catalysis（ACS Catal. 2018, 8, 466−473, 影響因子IF=10.6）上。

OER性能及100小時的析氧穩定性

研究團隊采用溶劑法合成了三種相結構的Li2CoSiO4（βII、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。研究發現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）超過了基準的IrO2和近年來報道的一係列的鈷基催化劑。在1.55V恒壓100小時的析氧電流沒有任何衰減，證明具有優異的析氧穩定性。

並且，通過實驗與理論計算相結合，課題組闡明了βII相Li2CoSiO4優異的OER性能背後的機理：Li2CoSiO4在催化過程中表麵會發生脫鋰，導致Co四麵體活性位會在脫鋰過程發生結構重排
；與βI和γ0相結構不同的是，βII相脫鋰後Co四麵體會發生旋轉，導致其表麵會形成2.54埃的“極短氫鍵”。在βII相表麵的這種極短氫鍵可以以極低的能壘使得質子在相鄰的兩個氧（OH…O）之間轉移，促進了水在該催化條件下快速分解，形成了獨特的基於“極短氫鍵”的“雙中心”分解水催化過程（平常的氧化物催化分解水時隻要一個過渡金屬與OH結合，因此是單中心的催化機理），從而降低水分解OER的過電勢。這一結果將擴大目前OER催化劑的設計範圍，有助於高效水分解催化劑的研發。

βII相Li2CoSiO4表麵短氫鍵的形成及雙中心催化OER反應的機理

該工作是由潘鋒教授指導
，博士後楊金龍、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隊其他成員合作完成的，美國伯克利國家實驗室的楊萬裏教授參與同步輻射x-ray吸收譜的測量，汪林望教授參於相關的理論計算與機理分析。本項目得到國家材料基因組重點專項、廣東省創新團隊和深圳市科研經費的支持。

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