北京
研究内容
开发酸性条件下的高活性析氧反应(OER)催化剂是质子交换膜水电解的迫切需求。作为所有质子耦合电化学反应的关键，在带电界面上操纵质子特性是非常可取但难以捉摸的。
华中科技大学翟天佑和刘友文 提出了一种有前景的方案，通过偶联亲水单元来提高酸性OER活性，从而在催化剂-电解质界面之间重建连接的氢键网络。N掺杂碳层包覆Mn-doped-Co 3 O 4 (Mn-Co 3 O 4 @CN)作为模型，发现CN单元和H 2 O分子之间的氢键相互作用不仅拖曳自由水来富集Mn-Co 3 O 4 的表面，而且作为促进脱氢过程的通道。同时，来自CN单元/Mn掺杂剂的Co位点的调制局部电荷降低了OER势垒。Mn-Co 3 O 4 @CN在高电流密度(100 mA cm -2 @~538 mV)下性能超过RuO 2 。相关工作以“ Reconstructing Hydrogen-Bond Network for Efficient Acidic Oxygen Evolution ”为题发表在国际著名期刊 Angewandte Chemie International Edition 上。
研究要点
要点1. 作者提出在催化剂-电解质界面之间重建连接的氢键网络，缓解自由水迁移和去质子化的权衡。通过N掺杂的碳层覆盖的Mn掺杂的Co 3 O 4 (Mn-Co 3 O 4 @CN)，其中CN作为亲水单元调节氢键网络，Mn-Co 3 O 4 驱动水分子活化为氧。
要点2. 同位素标记原位光谱和电子定位函数(ELF)评估揭示了CN单元和H 2 O分子之间的氢键相互作用连接了催化剂-电解质界面，形成了连续的氢键网络。这种重建的氢键网络不仅拖曳自由水来富集Mn-Co 3 O 4 的表面，而且作为促进脱氢过程的通道。
要点3 . 密度泛函理论(DFT)计算和原位拉曼光谱表明，CN单元/Mn掺杂剂到Co Ⅲ 的电子再分配进一步促进了中间体Co-OH 2 的吸附，从而降低了吉布斯自由能。Mn-Co 3 O 4 @CN作为非贵OER催化剂，在酸性介质中在10 mA cm -2 下表现出395 mV的低过电位，甚至在高电流密度(100mA cm -2 @~538 mV)下超过RuO 2 活性。
这项工作为氢键网络的作用提供了独特的见解，为设计富含地球的PEMWE催化剂铺平了道路。
研究图文
图1. Mn-Co 3 O 4 @CN催化剂的制备和表征。
图2. 电化学性能。
图3. 界面氢键网络的特性。
图4. 酸性OER热力学过程的研究。
文献详情
Reconstructing Hydrogen-Bond Network for Efficient Acidic Oxygen Evolution
Shicheng Zhu, Ruoou Yang, HuangJingWei Li, Sirui Huang, Haozhi Wang, Youwen Liu,* Huiqiao Li, Tianyou Zhai,*
Angew. Chem. Int. Ed.
DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202319462
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