王连洲院士团队电催化新发现氢键诱导的非晶态IrOx在酸性析氧反应的Sabatier现象

第一作者：徐虹哲

通讯作者：卢海娇*，沈国强*，李勤*， 王连洲*

在过去的几十年里，氢能已成为减少二氧化碳排放的关键解决方案。它在我们寻求可持续能源替代品的过程中发挥着关键作用，它将风能和太阳能等储存能力较差的能源转化为氢气，氢气既可以储存，又可以用作多功能能源载体和重要的工业原料。在众多制氢技术中，质子交换膜水电解槽 (PEMWE) 因其高效生产高纯度氢气的能力而备受关注，使其成为工业应用的有希望的选择。然而，PEMWE 目前受到四电子转移和多中间体析氧反应 (OER) 动力学缓慢的限制。同时，催化剂在酸性环境中的严重腐蚀对其长期运行构成了重大挑战。

本文将氢键引入到酸性OER的典型体系IrOx中，研究氢键强度对中间体吸附能和结构稳定性的影响。值得注意的是，在活性和稳定性方面都观察到了明显的Sabatier现象，且在中等氢键强度下性能最佳。原位傅里叶变换红外光谱(FTIR)和密度泛函理论(DFT)计算表明，*OOH中间体的能垒和Ir−O键强度是造成萨巴蒂尔现象的关键因素。在酸性条件下操作时，用相同方法制备的RuOx、RhOx和CoOx也观察到了类似的趋势。对这种新的氢键调控的Sabatier现象的理解，为合理设计在高活性和增强稳定性之间取得平衡的金属氧化物提供了有效的指导。

近日，澳大利亚昆士兰大学的王连洲教授（现单位香港理工大学）与格里菲斯大学的李勤教授合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Hydrogen Bonds Induced Sabatier Phenomenon for Amorphous IrOx in Acidic Oxygen Evolution Reaction”的观点文章。该观点文章分析了氢键强度对中间体吸附能和结构稳定性的影响。同时将该氢键调控策略扩展到了其他金属氧化物，为设计高效稳定的酸性OER 催化剂提供了有效指导。

王连洲院士，澳大利亚科学院及工程院双院士，现任香港理工大学讲席教授，曾任昆士兰大学ARC桂冠教授及纳米材料中心主任，长期从事半导体纳米材料及其在能源转换与储存系统中的研究，涵盖光/电/压电催化、太阳燃料合成、钙钛矿太阳能电池、可充电电池、高分子材料回收与再利用等方向。在 Science, Nature Energy 等期刊发表论文650余篇，H-index 132，引用超过63,000次，曾连续多年入选科睿唯安全球高被引科学家榜单。现为 EcoEnergy 主编、Advanced Materials 编委等。

李勤教授，任教于澳大利亚格里菲斯大学环境工程系，兼任昆士兰量子和先进技术研究所研究员。李勤教授针对清洁水，可持续性清洁能源，及循环经济发展， 致力于碳量子点，功能性材料，应用性纳米材料和技术的研究。 李勤教授曾获欧盟的居里夫人学者奖在德国马普高分子所从事研究， 于2009 获科廷创新奖，从2015 到2024 年多次入围 ‘科技女性’桂冠决赛。她发表了4 个国际专利，170 多篇学术论文， h-index 55. 李勤教授  是 澳大利亚皇家化学协会的绿色及可持续性化学和工程分会的创始人之一， 担任现任主席。

卢海娇博士，澳大利亚研究理事会(ARC)优秀青年学者（DECRA Fellow）。2019年毕业于天津大学，师从王静康院士。先后于澳大利亚国立大学（合作导师：殷宗友教授）和昆士兰大学纳米材料中心（合作导师：王连洲院士）从事博士后研究员工作，现主要研究领域为光（热）以及电催化材料的研发和应用。已在Chem. Rev., Angew. Chem.，Adv. Mater.等期刊发表了50余篇研究论文，总引用次数2600余次，H因子为22。

沈国强，湖南大学博士后（合作导师：陈皓教授）。2020年毕业于天津大学，师从张香文教授、邹吉军教授。国家重点研发计划可再生能源与氢能技术专项项目课题负责人、入选国家资助博士后研究人员计划，现主要研究领域为电催化材料开发、稳定同位素新型分离技术研发和应用。已在 Angew. Chem.，Adv. Mater.等期刊发表了30余篇研究论文，总引用次数2700余次，H因子为20。

徐虹哲是澳大利亚昆士兰大学（UQ）纳米材料中心、化学工程学院和澳大利亚生物工程与纳米技术研究所的博士研究生。于2023年加入王连洲教授课题组。目前，她的研究方向为绿色制氢，通过无铅钙钛矿太阳能驱动电解水制氢。