构造自适应异质结作为析氧反应的高活性催化剂学术资讯

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电化学水分解对绿色能源技术至关重要。其中，析氧反应（OER）需要一个与O=O键形成相关的高过电势，这决定了整个过程的能量效率。活化金属氧化物中氧的阴离子氧化还原化学，包括形成超氧化物/过氧化物(O2)n-，通常发生在大多数高活性催化剂的OER过程中。基于此，南洋理工大学的徐梽川课题组设计了一种电化学脱锂LiNiO2催化剂，在电化学脱锂过程中，富镍表面在循环过程中转变为NiOOH。同时，脱锂的LiNiO2具有大量锂空位，进一步促进NiOOH脱质子形成稳定的NiOO*，从而表现出优异OER活性。作者特别感谢物理所谷林老师，新加坡科技局杜永华老师、习世博老师，和北航商广义老师的合作与支持。

高性能、低成本的OER催化剂的设计对高效水电解池的开发具有重要意义。具有较高OER活性的过渡金属氧化物（TMOs）有望在碱性电解池中应用。最活跃的TMOs，例如Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ、PrBaCo2O5+δ、CoFexAl2-xO4（x≈0–2.0）等通常在OER过程中随着结构和成分的变化而引起表面再结构和/或非晶化，在可触及的深层表面上失去长程结晶序。目前对重构导致OER增强的理解是由于形成了活性氧（超氧/过氧化物样(O2)n-），此外，科学家也已经认识到去质子化是形成超氧/过氧类活性氧的关键。因此，在催化剂表面上制备这样的活性氧是开发高效OER催化剂的有前途的策略。
徐梽川课题组设计了一种电化学脱锂LiNiO2催化剂，它利用了NiOO*的优点，从而在不含Fe的情况下具有较高的OER活性。在电化学脱锂过程中，富镍表面在循环过程中转变为NiOOH。研究者首先证明了脱锂LiNiO2/NiOOH异质结的存在，然后揭示了结构演化，包括Li/Ni比、Ni价态、Ni-O键长/共价性等。这种活性增强的起源在于脱锂LiNiO2/NiOOH异质结的形成，它不仅提高了溶液的电子转移速率，同时，锂空位可以优化NiOOH表面的电子结构，形成具有较高Ni价态的稳定NiOO*物种。结合理论计算，研究者们进一步证实了NiOOH的去质子化通过在氧原子上形成局部电子空穴来进行电荷补偿，该电子空穴充当促进OER的亲电子中心。这项研究为异质结界面的动态行为提供了新的见解，以指导未来电催化剂的设计。

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