北京市科學(xué)技術(shù)研究院分析測試研究所新材料領(lǐng)域工作在國際頂級期刊PNAS上發(fā)表電解水制氫領(lǐng)域工作研究成果
近日，北京市科學(xué)技術(shù)研究院分析測試研究所（北京市理化分析測試中心）（簡稱：分析測試所）在《美國科學(xué)院院報》（PNAS）發(fā)表了題為“Spatial configuration of Fe–Co dual-sites boosting catalytic intermediates coupling toward oxygen evolution reaction”的文章（https://doi.org/10.1073/pnas.2317247121）。該論文通過構(gòu)建兩種不同空間構(gòu)型的Fe-Co雙位點催化劑，研究雙位點催化劑中兩個金屬活性位點的空間構(gòu)型促進OER（析氧反應(yīng)）的催化機制。相關(guān)實驗研究證明了雙位點催化劑（DSCs）在OER中的協(xié)同效應(yīng)，超過了單位點催化劑，展示出雙位點催化劑空間構(gòu)型的設(shè)計在OER領(lǐng)域的巨大潛力。
論文圖
析氧反應(yīng)（OER）是電解水產(chǎn)氫的主要障礙。雙位點催化劑（DSCs）因在OER中的協(xié)同效應(yīng)，其催化性能通常優(yōu)于單位點催化劑，然而，特定空間構(gòu)型的雙位點催化劑的合成一直以來都是該領(lǐng)域研究的難點。本工作中，構(gòu)建了兩種構(gòu)型的Fe-Co雙位點催化劑，立體構(gòu)型的Fe-Co位點催化劑（stereo-Fe-Co DSC）和平面構(gòu)型Fe-Co位點催化劑（planar-Fe-Co DSC），且平面Fe-Co DSC具有優(yōu)異的OER性能，優(yōu)于立體Fe-Co DSC。研究表明：在決速步驟中，適當(dāng)?shù)?/span>Fe-Co間距和空間方向有利于雙位點將中間體脫氫成*O-O*，*O中間體可以直接耦合形成*O-O*而不是*OOH，這可以克服OER中四個電子轉(zhuǎn)移步驟的局限性。
合成過程的示意圖和表征
stereo-Fe-Co DSC和planar-Fe-Co DSC的XANES和XPS譜圖
XRD表征證實了合成的CoOOH基底為γ型，并且通過SEM、TEM、ICP、EDX等數(shù)據(jù)結(jié)果觀測該催化劑的形貌、暴露晶面以及元素分布，證實了上述催化劑的成功制備，最后通過EELS-maping來證明Fe單原子的成功負載。Fe的XANES光譜結(jié)果顯示負載的Fe是以單原子的形式存在，經(jīng)過擬合分析之后，planar-Fe-Co DSC催化劑中Fe與Co處于同平面形式存在，而stereo-Fe-Co DSC催化劑中Fe處于高于Co的形式存在。催化性能測試表明，planar-Fe-Co DSC比stereo-Fe-Co DSC具有更高的本征活性，更快的電子轉(zhuǎn)移速率以及更低電荷轉(zhuǎn)移電阻。這表明平面構(gòu)型的Fe-Co雙位點可以誘導(dǎo)和優(yōu)化Co原子的電子結(jié)構(gòu)，從而增強了催化性能。
CoOOH、stereo-Fe-Co DSC和planar-Fe-Co DSC催化劑的 LSV曲線
該成果由分析測試所先進材料創(chuàng)制及原位表征研究團隊與首都師范大學(xué)化學(xué)系田洋教授團隊聯(lián)合完成。其中，第一作者張?zhí)珖?yán)為分析測試研究所與首師大聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生，第一作者江靜靜副研究員為先進材料創(chuàng)制及原位表征研究團隊核心骨干，分析測試所劉向文研究員與首師大田洋教授為通訊作者。該研究成果獲得了國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、北科青年學(xué)者等項目的資助，北科院和首師大在研究過程中提供了大力支持和幫助。
分析測試所先進材料創(chuàng)制及原位表征研究團隊以新材料的精準(zhǔn)調(diào)控合成與制備為核心，依托先進的原位表征分析技術(shù)，面向能源催化、生物醫(yī)藥、分析分離材料等領(lǐng)域開展基礎(chǔ)研究以及需求導(dǎo)向的應(yīng)用研究。團隊負責(zé)人劉向文研究員歸國加入分析測試研究所后，以通訊作者身份在國際知名期刊PNAS、Nano Letters（2篇）、Materials Today、Nano Research（2篇）等發(fā)表多篇高水平研究論文，擔(dān)任Nano Research期刊的青年編委，并與國內(nèi)外多所院校、研究機構(gòu)、企業(yè)建立了長期的合作關(guān)系。目前，原位電鏡實驗室將正式投入運行，團隊圍繞快檢以及分析分離材料正在積極推動成果轉(zhuǎn)化。
（材料化學(xué)部 劉向文/文）
