通訊作者：高敏銳、俞書宏
通訊單位：中國科學技術大學
研究背景
陽極析氧反應（OER）是電化學全水解將可再生電能轉化為化學燃料（例如H2）的關鍵步驟。但由於析氧反應緩慢的動力學過程，需要高活性、高穩定性的OER電催化劑以提高電解水反應的速率。
當前對OER催化劑的研究表明，結晶金屬氧化物，如Ir/RuO2，鈣鈦礦，層狀雙氫氧化物和尖晶石化合物，均是有效的OER催化劑。同樣，無定形金屬氧化物也表現出優異的催化性能而逐漸受到關注。然而，無定形結構是在催化反應中的影響因素及其催化機理仍然是沒有清晰的定論。
同時，控制材料空位（如氧空位）可以調節材料的性能，以適用於各種應用，如超級電容器和光/電催化領域等。研究表明，氧空位是催化OER的理想活性位點，其可以調節催化表面與氧的相互作用，降低動力學障礙，從而提高OER性能。
成果速覽
近日，中國科學技術大學俞書宏教授與高敏銳教授報導了製備單原子電催化劑的最新研究成果。通過簡便的過飽和共沉澱法，可一次性大批量製備得到NiFeMo氧化物電催化劑（一次達515g）。
無定型NiFeMo氧化物在OER過程中經歷了快速的表面自重構過程，形成富氧空位的金屬氧（氫氧化物）活性層。該活性層正是NiFeMo氧化物的活性位點，表現出優異的OER性能。
無定型a-NiFeMo在OER過程中的快速自重構對催化劑是一個激活的過程；然而，這個激活過程，對於結晶型c-NiFeMo來說是緩慢的。這是因為Mo陽離子在c-NiFeMo晶格中的擴散被阻擋，溶解到電解質中受到限制，這又導致Ni和Fe陽離子的表面自構造過程受到抑制，從而無法形成NiFe氧（氫氧化物）活性層。同時a-NiFeMo可促進陽離子擴散，從而有利於氧空位的形成。因此，無定型a-NiFeMo催化劑比結晶型c-NiFeMo催化劑活性更高。
本文採用高濃度金屬前驅體形成過飽和混合離子溶液，使溶液中兩種陽離子同時沉澱，可得到均相的多組分金屬氧化物。對無定型金屬氧化物形成機理及催化機理進行闡述，為無定形金屬氧化物的合成與研究提供了新思路。
該成果以「Scale-up Synthesis of Amorphous NiFeMo Oxides and Their Rapid Surface Reconstruction for Superior Oxygen Evolution Catalysis」為題發表在國際期刊Angewandte Chemie International Edition上。
圖文導讀
圖1 a-NiFeMo催化劑合成示意圖及形貌結構表徵結構
圖2 a-NiFeMo和c-NiFeMo催化劑OER性能對比
圖3 a-NiFeMo和c-NiFeMo催化劑反應前後精細結構表徵及計算
圖4 a-NiFeMo和c-NiFeMo催化劑形貌結構表徵
文獻信息
Scale-up Synthesis of Amorphous NiFeMo Oxides and Their Rapid Surface Reconstruction for Superior Oxygen Evolution Catalysis
(Angewandte Chemie International Edition，2019，DOI: 10.1002/anie.201909939)
http://dx.doi.org/10.1002/anie.201909939
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