吴江教授、林佳教授&陈忠伟院士CEJ观点：仿生萼柱珊瑚状NiMoO4/NiFeS晶体-非晶相界激活晶格氧机制用于OER！

第一作者：范炜开，刘超凡

通讯作者：吴江*，林佳*，陈忠伟*

单位：上海电力大学，中国科学院大连化学物理研究所

气候变化和能源问题是紧迫的全球性挑战，关乎国际社会的共同利益和地球的未来。推进可再生能源和清洁能源对减少化石燃料使用和促进可持续经济增长具有深远意义。目前，基于Ir和Ru氧化物的催化剂作为OER的基准材料，但其稀缺性和高成本使其不适合当前的发展趋势。因此，开发高效的非贵金属电催化剂对于满足当前时代的需要具有深远的意义。本篇利用晶体-非晶界面的协同优势来平衡催化剂的稳定性和活性，提出了一种仿生策略来构建晶体-非晶结构，展示了模拟海洋生物水裂解机制的高性能OER催化剂，为通过仿生策略开发高效电催化剂奠定了基础。

基于此，上海电力大学吴江教授、林佳教授&大连化物所陈忠伟院士，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Biomimetic Stylophora pistillata-like NiMoO₄/NiFeS crystalline–amorphous phase boundary activated lattice oxygen mechanism for efficient electrochemical water oxidation”的文章。该文章受萼柱珊瑚结构的启发，提出了一种仿生策略来构建晶体-非晶结构，激活了晶格氧，展示了模拟海洋生物水裂解机制的高性能OER催化剂。

图形摘要

图1催化剂的制备示意图

图2 形貌表征

要点：

基于萼柱珊瑚的天然结构，三维核壳型NiMoO₄/NiFeS电催化剂的合成过程如图1所示，其中晶态NiMoO₄纳米棒作为珊瑚核，促进电子转移。无定形NiFeS作为成壳花萼电沉积在NiMoO₄纳米棒上，增加催化活性位点的数量，促进电解质扩散，并增强OH^-离子捕获。晶体-非晶协同效应增强了金属-氧共价键，活化了晶格氧。

图3 电化学性能测试

图4 全解水性能测试

要点：

通过对比所制备的催化剂极化曲线、塔菲尔曲线和电化学阻抗等，可以得出NiMoO₄/NiFeS催化剂拥有出色的OER性能（η10=155 mV）。此外，使用NiMoO₄/NiFeS和Pt/C作为阳极和阴极制造了双电极电解槽，依然具有优异的电化学性能和稳定性，并且能够在太阳能驱动的制氢系统运行。

图5 OER后表征测试

图6 理论计算

要点：

原位拉曼表明，催化剂表面经历了类似于萼柱珊瑚外骨骼形成的重建过程。DFT计算揭示了NiMoO₄和NiFeS之间的异质界面耦合，优化了它们的吸附能力，提高了金属-氧的共价性，通过LOM促进了OER，从而加快了水分解动力学。

总而言之，采用仿生设计，通过利用NiMoO₄珊瑚状结构作为前体，在其顶部附着二维NiFeS纳米片，合成了类似于萼柱珊瑚的晶态-非晶态NiMoO₄/NiFeS异质结结构。其拥有显著的电催化性能，在10、100和300 mA cm⁻²下，OER的过电位分别为155、230和261 mV，同时拥有优异的稳定性。NiMoO₄/NiFeS电催化性能的显著提高不仅归因于晶体-非晶异质结界面的协同效应，加速了电荷转移，平衡了异质结催化剂的稳定性和活性，活化了晶格氧，而且还得益于海洋生物机制的利用。这些机制增加了活性位点，促进电解质扩散，并促进催化剂对OH^-离子的捕获。

DFT计算揭示了点催化剂异质界面耦合，这不仅优化了吸附能力，而且提高了金属-氧的共价性，通过LOM促进了OER，从而加快了水分解动力学。具体地，在组装有NiMoO₄/NiFeS的整个水分解装置中，仅需要1.452V的电压来实现10 mA cm^-2。该研究为开发高效、环保的电催化剂奠定了基础，为基于仿生原理的先进电解催化剂的设计提供了新的方向。

Biomimetic Stylophora pistillata-like NiMoO₄/NiFeS crystalline–amorphous phase boundary activated lattice oxygen mechanism for efficient electrochemical water oxidation

吴江教授简介：2003年毕业于上海交通大学，热能工程专业，上海市浦江学者、上海市曙光学者、国务院政府特殊津贴专家，主要从事能源与环保领域的教学与科研工作，主要研究方向包括燃烧与污染物控制、太阳能光伏/光热/光化学利用、电解水制氢、CO₂资源化转化、新型吸附/催化/储能材料与技术的研究与开发。

以第一/通讯作者身份在Advanced Functional Materials, Applied Catalysis B: Environmental，Nano Energy，Environmental Science & Technology，Chemical Engineering Journal，Journal of Hazardous Materials等学术刊物上发表SCI论文260余篇（其中一区80余篇），ESI高被引论文12篇，封面论文3篇。第一作者英文专著3部、2章，中文专著1部，主编教材1部，授权发明专利50余项。获得中国工程热物理学会燃烧学年会优秀科普作品奖2项、中国国际工业博览会一等奖、上海市优秀发明金奖、上海市科技进步二等奖，机械工业科技进步二等奖2项，上海市自然科学二等奖，第十届中国(上海)国际技术进出口交易会优秀能源低碳项目奖等多项奖励。入选全球前2%顶尖科学家榜单、终身科学影响力榜单。

林佳教授简介：2013年在上海交通大学获得博士学位。上海市“东方英才”拔尖(2024年)，上海市“曙光”学者 (2022年)，上海市“东方学者”特聘教授 (2019年)，上海市青年科技“启明星”计划获得者 (2019年)。主要研究方向为光学和光电子材料等前沿功能材料的制备及应用。主持、完成10余项国家级、省部级项目，包括国家自然科学基金项目4项。近年来在Nature Materials、PNAS、Science Advances、Nature Communications、Nano Letters、Matter等国际著名学术期刊上发表学术论文100余篇，总被引用次数3500余次。研究成果被Nature、Science等杂志重点评述。获2019年度教育部自然科学二等奖，2020年度中电联电力创新二等奖，2023年度上海市自然科学二等奖等奖项。

陈忠伟院士简介：加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士，国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席。现任能源催化转化全国重点实验室主任、中国科学院大连化学物理研究所动力电池与系统研究部部长。常年致力于燃料电池，金属空气电池，锂离子电池，锂硫电池，锂硅电池，全固态电池，液流电池，二氧化碳回收转化等储能器件和能源材料的研发和产业化。

近年来在Nat. Energy, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Angew. Chem., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Energy. Environ. Sci.等期刊发表SCI论文450余篇，被引45000余次，H-index指数111，另外，编著3部，章节11章，申请/授权专利90余项，多项成果实现产业化转化和应用。任中国化学会Renewables期刊主编，Royal Society of Chemistry -Energ. Environ. Book Series主编，曾任ACS Appl. Mater. Interfaces副主编。连续五年被评为“年度高被引科学家”，全世界TOP100,000科学家、加拿大清洁能源先进材料领域资深首席科学家（Tier I）、加拿大皇家学会杰出青年学院成员、全球能源科学与工程领域高被引学者、2018年卢瑟福纪念奖章、国际电化学能源科学卓越奖、加拿大最高国家科技奖、加拿大创新基金会领袖机遇基金奖等国际奖项。

范炜开，硕士研究生，师从吴江教授。2022年加入吴江教授课题组，主要研究方向为电催化水分解、第一性原理计算、钙钛矿太阳能电池等。已发表SCI论文10余篇，其中以第一作者身份在Chem. Eng. J., J. Colloid Interface Sci., Appl. Surf. Sci., Mater. Today Commun.等期刊发表论文5篇。

刘超凡，硕士研究生，师从吴江教授。2022年加入吴江教授课题组，主要研究方向为电催化水分解、第一性原理计算、机器学习等。已发表SCI论文10余篇，其中以第一作者/共同第一作者身份在Chem. Eng. J., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, J. Colloid Interface Sci., Fuel, Inorg. Chem. Front.等期刊发表论文5篇。