赵惠军&窦玉海Cell Rep. Phy. Sci.：Ni、Co和Fe是如何决定NiOOH析氧反应催化活性的？

开发廉价且高效的析氧反应（OER）催化剂有助于加快氢能源的商业化应用。目前，这类催化剂的设计主要集中在Ni、Co和Fe过渡金属化合物上。然而，这三种元素之间的相互作用及对催化活性的影响尚不明确。最近，澳大利亚格里菲斯大学清洁环境与能源中心（Centre for Clean Environment and Energy，Griffith University）赵惠军教授（点击查看介绍）课题组以超薄Ni(OH)₂（OER条件下转化为NiOOH）纳米片为基体，结合实验和理论系统研究了Ni、Co和Fe三种元素对Ni(OH)₂ OER催化反应活性的影响。

他们首先通过表面活性剂诱导组装的方法合成了只有0.68 nm厚的Ni(OH)₂纳米片（图1a-c），然后通过阳离子交换进行了Co、Fe单掺杂和Co & Fe共掺杂。OER催化实验表明，催化活性按以下顺序由强变弱：Ni(OH)₂-Fe > Ni(OH)₂-Fe-Co > Ni(OH)₂-Co > Ni(OH)₂（图1d,e）。XPS和EELS证实了不同元素电子结构之间的相互作用，而且催化反应后这种相互作用仍然存在，因而是催化活性的主要影响因素（图2）。

图1. ATNNs-Ni, ATNNs-Co, ATNNs-Fe和ATNNs-Fe-Co的合成和OER催化性能表征。

图2. 催化前（a-c XPS）和催化后（d-f EELS）电子结构的表征。

为了深入探究Ni、Co和Fe对催化反应机理的影响，何纯挺教授利用基于密度泛函理论的第一性原理，系统计算了电子结构的改变对中间体结合能和催化过电位的影响（图3）。结果表明，单掺杂的情况下Co和Fe费米能附近电子的能态密度较高，使得O*结合能增加，因而具有比Ni更低的催化过电位；而CoFe共掺杂的情况下，Fe的电子结构因Co的存在发生改变，Fe-OOH结合能降低，使得催化反应的活性降低。作者根据不同位点反应中间体的结合能，绘制出了过电位的三维等值线图。通过此图，可以合理调控活性位点的电子结构和中间体的结合能，进而设计出高效的析氧反应催化剂。

图3. 基于密度泛函的第一性原理计算揭示活性位点和催化机理。

相关研究成果近期发表在Cell Reports Physical Science（Cell Press新刊）上。文章的第一作者为窦玉海博士，通讯作者为赵惠军教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

How cobalt and iron doping determine the oxygen evolution electrocatalytic activity of NiOOH

Yuhai Dou, Chun-Ting He, Lei Zhang, Mohammad Al-Mamun, Haipeng Guo, Wenchao Zhang, Qingbing Xia, Jiantie Xu, Lixue Jiang, Yun Wang, Porun Liu, Xiao-Ming Chen, Huajie Yin, Huijun Zhao

Cell Rep. Phy. Sci., 2020, 1, 100077, DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100077

赵惠军教授简介

赵惠军教授是Griffith University清洁环境与能源中心的创立者，1994获得澳大利亚University of Wollongong化学博士学位，19941997在University of Wollongong和University of Western Sydney担任研究员/高级研究员，随后在Griffith University担任讲师、高级讲师（2001）、副教授（2003）、教授（2005）和Griffith商品化实验室主席（2005）。他是皇家化学学会（FRSC）、澳大利亚皇家化学会（FRACI）会士和R.H. Stokes电化学奖章的获得者。赵惠军教授的主要研究领域包括能源和环境纳米材料、水源控制管理系统、野外环境传感技术和水环境质量评估，目前的研究方向之一是探索提高非贵金属及碳基材料催化活性的新方法并用于重要催化反应，已发表430余篇期刊论文、获得8项国际专利并成功实现产业化，被Clarivate Analytics 列为高被引作者。

https://www.x-mol.com/university/faculty/49991