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氫能源是一種清潔、高效、可再生的理想能源，電解水制氫是實現工業化廉價制備氫氣的重要手段。電解水過程包含析氫和析氧兩個半反應，其中析氧反應過程在動力學上的困難性成為了電解水制氫的瓶頸。因此尋找價格低廉、儲量豐富且催化性能優異的析氧催化劑成為近年來研究的熱點。今天，我們要分享的是來自國際多個頂級研究團隊關于OER最新的6篇重要成果，希望對相關研究人員有所啟發。

1. Co-Zn羥基氧化物高效催化析氧反應丨Nature Energy

析氧反應(OER)是電化學能量轉換設備中的一個關鍵過程。理解晶格氧的氧化機制對于開發優異的OER催化劑是至關重要的。過渡金屬羥基氧化物通常被認為是各類OER催化劑中關鍵的催化物質，它們的低維層狀結構有利于O-O的直接偶聯反應。有鑒于此，新加坡南洋理工大學Xin Wang、徐梽川教授等人將Zn²⁺引入到CoOOH中。研究發現，由于Zn²⁺離子的引入，獲得了局域構型不同的的氧非鍵態，OER機制取決于Zn²⁺離子的數量，其中Zn_0.2Co_0.8OOH具有最佳的催化活性。

參考文獻：

Zhen-FengHuang, Jiajia Song, Yonghua Du, Shibo Xi, Shuo Dou, Jean Marie VianneyNsanzimana, Cheng Wang, Zhichuan J. Xu* & Xin Wang*. Chemical andstructural origin of lattice oxygen oxidation in Co–Zn oxyhydroxide oxygenevolution electrocatalysts. Nature Energy, 2019.

DOI: 10.1038/s41560-019-0355-9

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0355-9

2. 通過壓應變調控單原子Ru的電子結構，促進酸性環境下的水氧化催化丨Nature Catal.

單原子貴金屬催化劑具有良好的應用前景，但對其活性和穩定性的控制仍是一個具有挑戰性的課題。有鑒于此，中國科技大學的吳宇恩教授和李微雪教授等人通過壓縮應變將原子級分散的Ru負載到金屬載體上，可以極大地促進電催化析氧反應(OER)，并降低在酸性電解質中釕基電催化劑的降解。通過連續的酸刻蝕和電化學浸出實驗，成功制備了一系列單原子Ru負載的PtCu催化劑，發現OER活性與PtCu合金晶格常數之間呈現火山型曲線關系。其中活性最好的催化劑，Ru₁-Pt₃Cu，在電流密度為10 mA cm ^{- 2}的條件下，呈現出90 mV的低過電位，比商業化的RuO₂催化劑使用壽命長了一個數量級。理論研究表明，Pt表面的應力能夠影響Ru原子的電子結構，進而實現抗過氧化和溶解。

參考文獻：

YancaiYao, Wei-Xue Li, Yuen Wu, et al. Engineering the electronic structureof single atom Ru sites via compressive strain boosts acidic water oxidation electrocatalysis. Nature Catalysis, 2019.

DOI:10.1038/s41929-019-0246-2

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0246-2

3. 會呼吸的催化劑丨Joule

受自然進化中的肺泡結構的啟發，斯坦福大學崔屹教授團隊設計了一種模擬呼吸過程的雙向電催化體系，用于從催化劑表面產氣，和氣體反應物輸送到催化劑表面這兩種過程，與 OER和 ORR 相對應。實現這種系統的關鍵設計要求是：（1）能夠進行氣體輸送和釋放的有效傳質，（2）擁有充足的三相接觸區域用于電催化反應，和（3）在電化學工作條件下比傳統碳基GDL持續更長時間的強疏水性。

有鑒于此，該團隊設計了一種新型電極結構，其利用聚乙烯（PE）制成的厚度為12 μm的超薄納米多孔膜，僅有傳統的氣體擴散電極（即聚四氟乙烯（PTFE）涂層多孔碳膜，~400 μm）厚度的約三十分之一。該PE上具有密集分布的納米孔道，以提供大量的三相接觸界面以作為更多催化位點，同時保持很低的氣體擴散阻力。

研究團隊利用Ag / Pt雙層催化劑涂覆的alv-PE結構用于ORR反應，實現了在0.6 V下250 mA·cm^-2的電流密度（在該工作中報道的所有電位均為可逆氫電極，RHE），比相同催化劑負載的平面PE結構高約25倍。在OER中，采用Au / NiFeO_x催化劑涂層的Alv-PE結構，在沒有iR校正的情況下，達到10 mA·cm^-2電流密度僅需要190 mV的過電勢，比相同的催化劑涂層的平面PE或碳基氣體擴散電極結構的過電勢還要低約90 mV。

參考文獻：

Jun Li, Yangying Zhu, Wei Chen, ZhiyiLu, Jinwei Xu, Allen Pei, Yucan Peng, Xueli Zheng, Zewen Zhang,Steven Chu, andYi Cui. Breathing-Mimicking Electrocatalysis for Oxygen Evolution andReduction. Joule, 2019.

DOI: 10.1016/j.joule.2018.11.015

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118305646

4. 單原子Ni-N-S物種錨定在多孔碳納米片高效OER丨Nature Commun.

開發低成本的電催化劑取代昂貴的Ir基材料是OER的關鍵。近日，浙江大學侯陽、德累斯頓工業大學馮新亮等多團隊合作，報道了一種原子級分散的Ni與N、S配位的化合物錨定在多孔碳納米片上的催化劑。該催化劑具有高的OER活性和穩定性，在堿性介質中，電流密度10 mA cm^?2時，過電位僅1.51 V，Tafel斜率為45 mV dec^?1，優于所有已報道的過渡金屬和/或雜原子摻雜碳電催化劑和標準Ir/C催化劑。進一步實驗和理論計算表明，高分散的S|NiN_x物種是OER的活性中心。作者通過球差校正掃描透射電鏡和同步輻射X射線吸收光譜學確定了S|NiN_x中心在C基質的原子級結構。該材料與Fe₂O₃納米片陣列組成的材料能實現高活性的太陽能驅動的氧氣生產。

參考文獻：

YangHou*, Ming Qiu, Xinliang Feng*, et al. Atomically dispersed nickel- nitrogen-sulfur species anchored on porous carbon nanosheets for efficient water oxidation. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09394-5

https://doi.org/10.1038/s41467-019-09394-5

5. 晶格應變的金屬-有機骨架用于雙功能氧電催化劑丨Nature Energy

氧電催化是燃料電池和電解槽等技術的核心，由于存在缺乏資源豐富的電催化劑以及對催化機理的認識不足等問題。因此，急需發展新型高效穩定的雙功能電催化材料。有鑒于此，中國科學技術大學劉慶華研究員等人將晶格應力引入到過渡金屬基金屬有機框架（TM-MOF）材料中，獲得了高效雙功能氧電催化材料。

該鎳鐵基NiFe-MOF材料對ORR與OER的活性分別為500 A gmetal^-1（電勢為0.83 V）和2000 A gmetal^-1（過電勢為0.30 V），是初始NiFe金屬有機骨架的50-100倍。此外，該NiFe-MOF材料在電極電勢為0.85 V和1.45 V下分別進行ORR與OER穩定性測試，200小時后催化劑仍保持97%的初始活性。研究發現隨著金屬活性中心Ni價態的升高，與四電子過程相關的氧催化反應關鍵中間產物*OOH形成并吸附在Ni⁴⁺高價活性中心上，從而高效地催化ORR與OER的進行。

參考文獻：

Weiren Cheng,Xu Zhao, Hui Su, Fumin Tang, Wei Che, Hui Zhang and Qinghua Liu*. Lattice-strained metal-organic-framework arrays for bifunctional oxygen electrocatalysis. Nature Energy, 2019.

DOI: 10.1038/s41560-018-0308-8

https://doi.org/10.1038/s41560-018-0308-8

6. 通過自旋電子和鐵電極化調節提高多鐵性氧化物的析氧效率丨Nature Commun.

調節催化劑的電子結構是提高氧氣釋放效率最有效的策略。有鑒于此，中國科學技術大學Yalin Lu、Zhengping Fu以及澳大利亞伍倫貢大學ZhenxiangCheng等人利用鐵電極化來提高析氧效率，而不僅僅是調整電子結構。研究人員通過在具有原位生長的BiCoO₃的多鐵性層狀鈣鈦礦Bi₅CoTi₃O₁₅上得到了證實。由于電子調節和鐵電極化的疊加效應，所制備的多鐵電催化劑比基準IrO₂更有效。該工作不僅展示了低成本和高效率的OER電催化劑，而且還通過考慮自旋和極化自由度，為多組分電催化材料系統提供了策略設計。

參考文獻：

Xiaoning Li, Huan Liu, Zezhi Chen,Qingmei Wu, Zheyin Yu, Mengmeng Yang, Xiaolin Wang, Zhenxiang Cheng, ZhengpingFu & Yalin Lu. Enhancing oxygen evolution efficiency of multiferroic oxides by spintronic and ferroelectric polarization regulation. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09191-0

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09191-0