氢能源是一种清洁、高效、可再生的理想能源，电解水制氢是实现工业化廉价制备氢气的重要手段。电解水过程包含析氢和析氧两个半反应，其中析氧反应过程在动力学上的困难性成为了电解水制氢的瓶颈。因此寻找价格低廉、储量丰富且催化性能优异的析氧催化剂成为近年来研究的热点。今天，我们要分享的是来自国际多个顶级研究团队关于OER最新的6篇重要成果，希望对相关研究人员有所启发。
1. Co-Zn羟基氧化物高效催化析氧反应丨Nature Energy
析氧反应(OER)是电化学能量转换设备中的一个关键过程。理解晶格氧的氧化机制对于开发优异的OER催化剂是至关重要的。过渡金属羟基氧化物通常被认为是各类OER催化剂中关键的催化物质，它们的低维层状结构有利于O-O的直接偶联反应。有鉴于此，新加坡南洋理工大学Xin Wang、徐梽川教授等人将Zn2+引入到CoOOH中。研究发现，由于Zn2+离子的引入，获得了局域构型不同的的氧非键态，OER机制取决于Zn2+离子的数量，其中Zn0.2Co0.8OOH具有最佳的催化活性。
参考文献：
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. 通过压应变调控单原子Ru的电子结构，促进酸性环境下的水氧化催化丨Nature Catal.
单原子贵金属催化剂具有良好的应用前景，但对其活性和稳定性的控制仍是一个具有挑战性的课题。有鉴于此，中国科技大学的吴宇恩教授和李微雪教授等人通过压缩应变将原子级分散的Ru负载到金属载体上，可以极大地促进电催化析氧反应(OER)，并降低在酸性电解质中钌基电催化剂的降解。通过连续的酸刻蚀和电化学浸出实验，成功制备了一系列单原子Ru负载的PtCu催化剂，发现OER活性与PtCu合金晶格常数之间呈现火山型曲线关系。其中活性最好的催化剂，Ru1-Pt3Cu，在电流密度为10 mA cm - 2的条件下，呈现出90 mV的低过电位，比商业化的RuO2催化剂使用寿命长了一个数量级。理论研究表明，Pt表面的应力能够影响Ru原子的电子结构，进而实现抗过氧化和溶解。
参考文献：
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. 会呼吸的催化剂丨Joule
受自然进化中的肺泡结构的启发，斯坦福大学崔屹教授团队设计了一种模拟呼吸过程的双向电催化体系，用于从催化剂表面产气，和气体反应物输送到催化剂表面这两种过程，与 OER和 ORR 相对应。实现这种系统的关键设计要求是：（1）能够进行气体输送和释放的有效传质，（2）拥有充足的三相接触区域用于电催化反应，和（3）在电化学工作条件下比传统碳基GDL持续更长时间的强疏水性。
有鉴于此，该团队设计了一种新型电极结构，其利用聚乙烯（PE）制成的厚度为12 μm的超薄纳米多孔膜，仅有传统的气体扩散电极（即聚四氟乙烯（PTFE）涂层多孔碳膜，~400 μm）厚度的约三十分之一。该PE上具有密集分布的纳米孔道，以提供大量的三相接触界面以作为更多催化位点，同时保持很低的气体扩散阻力。
研究团队利用Ag / Pt双层催化剂涂覆的alv-PE结构用于ORR反应，实现了在0.6 V下250 mA·cm-2的电流密度（在该工作中报道的所有电位均为可逆氢电极，RHE），比相同催化剂负载的平面PE结构高约25倍。在OER中，采用Au / NiFeOx催化剂涂层的Alv-PE结构，在没有iR校正的情况下，达到10 mA·cm-2电流密度仅需要190 mV的过电势，比相同的催化剂涂层的平面PE或碳基气体扩散电极结构的过电势还要低约90 mV。
参考文献：
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. 单原子Ni-N-S物种锚定在多孔碳纳米片高效OER丨Nature Commun.
开发低成本的电催化剂取代昂贵的Ir基材料是OER的关键。近日，浙江大学侯阳、德累斯顿工业大学冯新亮等多团队合作，报道了一种原子级分散的Ni与N、S配位的化合物锚定在多孔碳纳米片上的催化剂。该催化剂具有高的OER活性和稳定性，在碱性介质中，电流密度10 mA cm−2时，过电位仅1.51 V，Tafel斜率为45 mV dec−1，优于所有已报道的过渡金属和/或杂原子掺杂碳电催化剂和标准Ir/C催化剂。进一步实验和理论计算表明，高分散的S|NiNx物种是OER的活性中心。作者通过球差校正扫描透射电镜和同步辐射X射线吸收光谱学确定了S|NiNx中心在C基质的原子级结构。该材料与Fe2O3纳米片阵列组成的材料能实现高活性的太阳能驱动的氧气生产。
参考文献：
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. 晶格应变的金属-有机骨架用于双功能氧电催化剂丨Nature Energy
氧电催化是燃料电池和电解槽等技术的核心，由于存在缺乏资源丰富的电催化剂以及对催化机理的认识不足等问题。因此，急需发展新型高效稳定的双功能电催化材料。有鉴于此，中国科学技术大学刘庆华研究员等人将晶格应力引入到过渡金属基金属有机框架（TM-MOF）材料中，获得了高效双功能氧电催化材料。
该镍铁基NiFe-MOF材料对ORR与OER的活性分别为500 A gmetal-1（电势为0.83 V）和2000 A gmetal-1（过电势为0.30 V），是初始NiFe金属有机骨架的50-100倍。此外，该NiFe-MOF材料在电极电势为0.85 V和1.45 V下分别进行ORR与OER稳定性测试，200小时后催化剂仍保持97%的初始活性。研究发现随着金属活性中心Ni价态的升高，与四电子过程相关的氧催化反应关键中间产物*OOH形成并吸附在Ni4+高价活性中心上，从而高效地催化ORR与OER的进行。
参考文献：
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. 通过自旋电子和铁电极化调节提高多铁性氧化物的析氧效率丨Nature Commun.
调节催化剂的电子结构是提高氧气释放效率最有效的策略。有鉴于此，中国科学技术大学Yalin Lu、Zhengping Fu以及澳大利亚伍伦贡大学ZhenxiangCheng等人利用铁电极化来提高析氧效率，而不仅仅是调整电子结构。研究人员通过在具有原位生长的BiCoO3的多铁性层状钙钛矿Bi5CoTi3O15上得到了证实。由于电子调节和铁电极化的叠加效应，所制备的多铁电催化剂比基准IrO2更有效。该工作不仅展示了低成本和高效率的OER电催化剂，而且还通过考虑自旋和极化自由度，为多组分电催化材料系统提供了策略设计。
参考文献：
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
