析氧反應（OER）是電解水和二次金屬-空氣電池等能源轉(zhuǎn)換和存儲器件中重要的半反應。但是，OER的反應能壘過高、動力學遲緩，而且，基于貴金屬的傳統(tǒng)電催化劑價格昂貴。因此，開發(fā)新型非貴金屬電催化劑的需求十分迫切。非晶態(tài)電催化劑擁有豐富的活性中心，而晶態(tài)催化劑則表現(xiàn)出良好的電子轉(zhuǎn)移特性。合理設計和優(yōu)化電催化劑的微觀結(jié)構(gòu)和組成，構(gòu)建雙相納米復合材料，為提高OER性能提供了更多的可能性。同時，原位表征技術和理論計算相結(jié)合，有望進一步揭示OER的催化機制。 

最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所王家成研究員課題組制備出一種具有結(jié)晶-非晶雙相結(jié)構(gòu)的微晶玻璃（Ni1.5Sn@triMPO₄）并用于電催化OER。該研究成果以“A glass-ceramic with accelerated surface reconstruction toward the efficient oxygen evolution reaction”為題發(fā)表在學術期刊Angewandte Chemie International Edition上，并且被選為Very Important Paper (VIP)。文章共同通訊作者為王家成研究員，馬汝廣副研究員和北京工業(yè)大學劉丹敏研究員。 

該研究從SnFeNi鈣鈦礦氫氧化物（前期工作發(fā)表于J. Mater. Chem. A. 2020, 8, 5919-5926）出發(fā)，通過低溫磷化得到Ni1.5Sn@triMPO₄微晶玻璃。進一步利用電化學活化，使得部分陽離子Sn⁴⁺和陰離子PO₄^3-析出，加速微晶玻璃的表面重構(gòu)，在催化劑表面生成了具有本征氧空位VO和殘留PO₄^3-的活性層（Ni(Fe)OOH-VO-PO₄）。與對照樣品相比，這種表面重構(gòu)后的微晶玻璃的過電位顯著降低，OER動力學得到增強，可與大多數(shù)非貴金屬電催化劑相媲美。理論計算表明：Sn的低空位形成能和VO位點上PO₄^3-的高吸附能，加速了微晶玻璃的表面重構(gòu)；殘留的PO₄^3-和VO位點導致鄰近Ni原子的電荷轉(zhuǎn)移，使d帶中心更接近費米能級。這種電荷分布優(yōu)化了金屬羥基氧化物上OH*和OOH*中間體的吸附，提升了OER活性。該研究證明了微晶玻璃在促進表面重構(gòu)過程中的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，為先進電催化劑的設計提供了新的思路。 

王家成研究員團隊長期致力于新型電催化材料與能源器件方面的應用基礎研究。2020年，課題組在實驗與計算相結(jié)合的材料微結(jié)構(gòu)設計與催化機理研究中取得多項新進展：利用電子局域化增強氧還原動力學（Nature Mater., 2020, 19, 282; ACS Catal., 2020, 10, 9366; Appl. Catal. B: Environ., 2020, 265, 118593）；通過位點設計和電子結(jié)構(gòu)調(diào)控提升析氫活性（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003484; Energy Environ. Sci., 2020, 13, 4249; Adv. Energy Mater., 2020, 10, 2000067; J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 3436; ChemSusChem, 2020, 13, 2739）。 

該工作得到了國家自然科學基金、上海市科委等項目的資助。 

文章鏈接

微晶玻璃加速表面重構(gòu)促進OER反應

通過低溫磷化方法合成了具有雙相結(jié)構(gòu)的微晶玻璃，結(jié)合XRD、XPS、HRTEM、EDS-Mapping等技術證明其中結(jié)晶相是Ni_1.5Sn納米顆粒，非晶相是triMPO₄三金屬磷酸鹽