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深研院新材料学院发现基于双中心短氢键和电荷转移高效催化分解水的机理
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    探索先进的、具有空前催化效率的电催化剂,用于析氧反应(Oxygen evolution reaction, OER),在许多能源转化和储存系统中具有重要意义,如电解水制氢气和金属空气电池都需要优异性能的OER催化剂来降低过电势。价格低廉的非贵过渡金属催化剂材料是近几年的研究热点。先前,北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授课题组首次发现基于极短氢键(氧氧距离为2.54 Å)的双中心分解水的氧析出催化机理和高性能硅酸钴锂催化材料,研究成果以封面文章发表在催化领域顶级科研期刊ACS Catalysis (ACS Catal. 2018, 8, 466-473, 影响因子IF=10.6)上。

图一. 铁掺杂硅酸钴锂材料表面的铁钴协同效应,短氢键构型及其OER性能展示

    最近,潘锋团队进一步发现适当含量的铁掺杂在纳米硅酸钴锂材料中可以获得更加优异的催化性能:其比活性(specific activity, SA)是未掺杂硅酸钴锂的20倍,质量活性(mass activity, MA)是40倍,转换频率(turnover frequency, TOF)达到140倍,在1MKOH电解液中过电势为0.3V时水分解反应的电流密度达到80 mA cm-2,且析氧反应100小时后没有任何衰减。该研究成果发表在近期的国际材料领域顶级科研期刊Nano Energy (Nano Energy,2019,  59, 443-452,影响因子为13.1) 上。

    通过实验与DFT计算结合,我们阐明了OER催化机理:证明了铁与钴之间存在电荷转移的协同耦合作用,形成了有利于氧析出的双中心活性位的电子结构,通过质子转移使得水分子产生在铁上,氧气从钴位上析出;同时,相邻的铁钴位点上形成了双中心更短的“极短氢键”(氧氧距离为2.47 Å),这种双中心短氢键进一步降低了OER过程中质子转移和解离的能垒。

图二. DFT计算结果:催化剂表面短氢键及质子转移与解离能垒

   该工作在潘锋教授指导下,由北京大学新材料学院杨金龙博士后和肖荫果副教授为共同一作与团队协作共同完成。该工作的顺利开展得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、国家材料基因组计划的支持。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519301661