近日十卖，中國科學院大連化學物理研究所理論催化創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員肖建平團隊與日本理化學研究所教授中村龍平團隊框杜，在電解水材料設計研究中取得新進展洒屡，制備了尖晶石構型的Co2MnO4材料爱态，實現(xiàn)了超高效安培級電流密度電解水活性柄哀，并實現(xiàn)酸性環(huán)境中超長的電解穩(wěn)定性贷弧。

制備高活性且在酸性環(huán)境中具備超長的電解穩(wěn)定性非貴金屬電解水(oxygen evolution reaction视以，OER)催化劑是清潔能源利用領域中的研發(fā)重點沟奸。本研究中，中村龍平團隊在金屬氧化物Co3O4中摻入Mn元素购哺，制備出尖晶石構型的Co2MnO4材料扶取，實現(xiàn)了高效且在酸性環(huán)境中高穩(wěn)定性的電解水過程;肖建平團隊運用“反應相圖+微觀動力學模擬”的研究方法，首次建立了OER過程的反常截頂活性火山型曲線人狞，證明了該材料在各種構型環(huán)境下皆可體現(xiàn)高效電解水活性芜田。同時，肖建平團隊提出“雙通道溶解模型”欢礼，進一步解釋了其在酸性環(huán)境中體現(xiàn)超長的電解穩(wěn)定性的主要原因蜈沛。

肖建平團隊基于第一性原理密度泛函理論計算，從分子/原子的角度探討了OER催化過程革半，其中碑定，建立催化活性趨勢來剖析不同材料或特定材料的不同構型(表面、活性位點等)的催化活性是理論研究的最新范式又官。理論催化活性趨勢的建立往往基于表面重要中間物種之間的相互線性關聯(lián)不傅，由此可以將催化活性通過描述符的方式表達旅掂，從而建立活性趨勢。

本工作中访娶，在針對尖晶石金屬氧化物表面的OER過程建立的二維“反應相圖”中商虐，肖建平團隊發(fā)現(xiàn)了其活性趨勢呈現(xiàn)出反常截頂?shù)幕钚曰鹕叫颓€，即隨著中間物質(zhì)吸附強度的改變崖疤，材料活性保持不變秘车。基于實驗中發(fā)現(xiàn)的Co2MnO4材料的各種局域構型(包括Co/Mn的流失劫哼、缺陷叮趴、富集等)，肖建平團隊進一步發(fā)現(xiàn)其所有構型皆處于反常截頂?shù)幕钚曰鹕叫颓€的頂點平臺上权烧。這揭示了該材料能夠體現(xiàn)超高電催化活性的原因丰躺，解釋了其在部分表面溶解重構的過程中仍能維持高電催化活性的根本原因。不同材料體現(xiàn)的理論活性與實驗的擬合也進一步證明了該觀點励邓。此外肄琉，在理論活性研究中，肖建平團隊通過電荷外插值法窟礼，計算了OER過程中每個電化學過程在不同工作電壓下的反應能壘洋训，通過微觀動力學模擬得到理論速率，發(fā)現(xiàn)其與實驗結果擬合绰尖，證實了理論計算結果可靠性妙散。

另外，肖建平團隊通過建立雙通道溶解模型進一步探究材料在特定電催化環(huán)境下的穩(wěn)定性吹磕，即同時研究金屬位點和晶格氧在特定工作電壓下的溶解且考慮其先后順序诅慧。研究表明，Co2MnO4材料的溶解過程包括金屬(Co/Mn)的溶解壤牙，H2O的去質(zhì)子化并結合晶格O形成OOH*班聂，以及氧空位的形成。該過程整體是熱力學放熱過程抛虏，而晶格氧溶解的基元過程體現(xiàn)出較大的熱力學勢壘，是該過程的速控步驟套才。因此迂猴，晶格氧的溶解被用作理論穩(wěn)定性描述符，用于探索材料的穩(wěn)定性背伴，其與實驗結果的擬合證明了該研究的可靠性沸毁。此外，科研團隊對bader電荷分析發(fā)現(xiàn)傻寂，在摻入Mn后息尺，Mn-O中存在更多的電荷轉(zhuǎn)移携兵，體現(xiàn)出更強的Mn-O鍵能，證明了晶格O穩(wěn)定性的提升搂誉。該成果在今后的理論催化劑設計中徐紧，可以預測活性趨勢，并可準確把握催化穩(wěn)定性炭懊。

相關研究成果以Enhancing the Stability of Cobalt Spinel Oxide towards Sustainable Oxygen Evolution in Acid為題并级，發(fā)表在《自然-催化》(Nature Catalysis)上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃侮腹、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金迈窗、國家自然基金、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項(B類)“功能納米系統(tǒng)的精準構筑原理與測量”等的支持栋灿。

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