目前，有望通過提供高度可用的活性位點和介導催化活性/穩定性，同時激活金屬和晶格氧位點以構建兼容的多機制催化，以促進析氧反應（OER），但是仍然存在重大挑戰。2024年9月27日，武漢理工大學木士春教授在國際頂級期刊Nature Communications發表題為《Fe-S dually modulated adsorbate evolution and lattice oxygen compatible mechanism for water oxidation》的研究論文，團隊成員羅旭、趙宏宇、譚鑫為論文共同第一作者，木士春教授為論文通訊作者。在此，作者通過在OER過程中完全重構NiMoO4·xH2O@Fe,S，合成了Fe和S雙重調制的NiFe羥基氧化物（R-NiFeOOH@SO4），實現了兼容的吸附質演化機制和晶格氧氧化機制，同時優化了金屬/氧位點，并通過原位光譜/質譜和化學探針進行了證實。進一步的理論分析表明，Fe在吸附質演化機制下促進OER動力學，而S在晶格氧氧化機制下激發晶格氧活性，表現為O 2p能帶中心上移、d-d庫侖作用增強、金屬-氧鍵減弱和中間吸附自由能優化。得益于兼容的多機制，R-NiFeOOH@SO4只需要251±5/291±1mV的過電位，就能在堿性介質中驅動100/500 mA cm-2的電流密度，穩定時間超過300 h。這項工作有助于理解OER機制，從而更好地設計高性能OER催化劑。
圖1：R-NiFeOOH@SO4制備示意圖和形貌表征
圖2：催化劑的電子和配位結構
圖3：催化劑的電催化OER性能
圖4：催化劑的AEM-LOM OER催化兼容性分析
圖5：密度泛函理論（DFT）計算分析
綜上，本研究設計并合成了一種經過Fe和S雙重調節的NiFe羥基氧化物（R-NiFeOOH@SO4），通過在析氧反應（OER）過程中對NiMoO4·xH2O@Fe, S的完全重構，實現了吸附態演化機制和晶格氧氧化機制的兼容，并同時優化了金屬/氧位點。這項研究為設計新型高效的非貴金屬OER催化劑提供了理論基礎和實驗方法，具有重要的科學價值和應用前景。其有望推動電解水技術的進一步發展，有助于實現更高效、成本更低的綠色能源生產，特別是在需要長期穩定運行的電解水制氫技術中。
Luo, X., Zhao, H., Tan, X.et al. Fe-S dually modulated adsorbate evolution and lattice oxygen compatible mechanism for water oxidation. Nat. Commun. 15, 8293 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52682-y.