杨世和课题组，ACB：巧用蒸汽构筑均质晶态-非晶态金属氢氧化物及其析氧应用

第一作者：高金强，邱晨

通讯作者：洪梅*，杨世和*

单位：北京大学深圳研究生院

电催化水分解被认为是一项有潜力解决严重能源和环境危机的技术，其进一步应用一定程度受限于其中的析氧反应（OER）。近几十年来，经过科研工作者的不断探索，对电解水催化剂性能评价，结构优化等多方面积累了丰富的成果。实验和理论研究已证明非贵金属催化剂可以获得比商业催化剂更低的过电位。除了活性，稳定性直接影响催化剂的成本效益。特别是大规模商业化应用，催化剂能否在大电流的运行情况下保持长时间稳定性至关重要。

为了解决上述问题，晶态-非晶态复合结构作为一种有前途的OER催化剂设计已经引起了越来越多的关注。科研工作者也陆续报道了不同的探索路径。尽管做了很多努力，但到目前为止，大多数被报道的晶态-非晶态结构是由不同成分组成。获取均质成分困难与异相的不平衡、不可控和不稳定生长有关。因此，构筑稳定的均质晶态-非晶态结构是一个有趣的但充满挑战性的目标。

基于此，北京大学深圳研究生院杨世和课题组，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Steam-driven crystalline-amorphous coupling design of homogenous metal hydroxides for oxygen evolution reaction”的研究文章。该文章解析了蒸汽获取均质晶态-非晶态金属氢氧化物的过程，并推演了单金属到双金属氢氧化物的可行性，进而剖析了均质晶态-非晶态耦合结构在析氧反应中的应用。

首先，以常见的单金属镍为出发点，碳布为支撑体。为了有效区分甲醇蒸汽的来源，通过巧妙的实验设计，将其分为三种情况：

（1）体系中没有任何甲醇，

（2）只有吸附的甲醇，及

（3）同时具有吸附和氛围甲醇。

结果显示，三种不同条件对单金属氢氧化物的微观形态和化学成分产生了巨大的影响，如图1和图2所示。其后，成功拓展到了泡沫镍支撑体、镍铁双金属氢氧化物及较大面积的制备。源于吸附和周围甲醇分子可以直接诱发原始闭环结晶的局部非晶化，导致形成均质晶态-非晶态结构。

图1. 甲醇蒸汽获取晶态-非晶态金属氢氧化物示意图和不同环境对应的形貌图。

图3. 不同甲醇蒸汽环境对应获取材料的XRD图谱和TEM图。

要点二：均质晶态-非晶态结构在析氧反应中的应用

以单金属氢氧化物（NiA-S@NF）和双金属氢氧化物（NiFeA-S@NF）的自支撑电极为研究模型，剖析均质晶态-非晶态耦合是否能够促进OER催化性能，如图3所示。NiA-S@NF虽然显示出高价镍的存在，但稳定性极差，原因可归结为较弱的结合力。相同条件下，随着连续的CV扫描，NiFeA-S@NF显示出明显的活化过程。为了仔细验证，尝试了不同的对电极。无差别的活化过程使我们能够排除对电极的影响。

普遍认为，层状结构使NiFe-LDH在OER中不稳定。但本项研究中，活化后的双金属氢氧化物（NiFeA-S@NF）不仅显示出高性能（205 mV @10 mA cm^-2），同时具有出色的大电流稳定性（200 h, 500-1000 mA cm^-2）。即使是贴近工业条件下（6M KOH，85℃），仍能够在大电流下运行较长时间。

图3. 均质晶态-非晶态金属氢氧化物的电化学性能。

要点三：深入剖析相应的均质晶态-非晶态结构的活化过程

为了深入了解OER过程中的内在活性变化，本工作采用原位拉曼（Raman）、原位微晶天平（EQCM-D）和XPS等分析手段，提供了令人信服的证据，表明最佳NiFe-LDH令人鼓舞的催化活性得益于我们独特的设计，这些设计是：

要点四：前瞻

仅仅使用简单的金属硝酸盐和甲醇溶剂，通过有效的蒸汽驱动策略可控获取均质晶态-非晶态金属氢氧化物。随后，这种设计被成功地扩展到双金属镍铁氢氧化物（NiFe-LDH）和较大面积的制备。与最近报道的具有晶态-非晶态结构的OER催化剂相比，NiFeA-S@NF具有明显的稳定性优势。

这种均质晶态-非晶态结构是最具潜力的设计之一，特别是对于大电流和较苛刻的运行环境。鉴于可拓展的晶体结构转变方法和初步放大实验，甲醇蒸汽驱动策略为其他非贵金属催化剂结构优化提供了理论基础和实践指南，在如何设计廉价且稳定的析氧催化剂方向上迈出了重要一步。

Steam-driven crystalline-amorphous coupling design of homogenous metal hydroxides for oxygen evolution reaction

杨世和教授简介：博士毕业于美国莱斯大学物理化学专业，师从诺贝尔奖获得者Richard E. Smalley教授。博士毕业后在美国Argonne国家实验室和多伦多大学（师从诺贝尔奖获得者John C. Polanyi教授）进行博士后研究。杨世和教授是长江学者讲座教授，国家杰出青年基金（海外）获得者，深圳市太阳能燃料开发创新团队带头人。在香港科技大学执教近30年，现为北京大学深圳研究生院教授和深圳湾实验室资深研究员。

杨世和教授长期致力于团簇、纳米材料、功能材料以及器件化学物理等领域的研究并取得了创新性的研究成果，曾两次获得国家自然科学二等奖，在诸领域做出了重大贡献。杨世和教授获得过60多项研究基金，被授予国际国内发明专利权10多项、申请专利20多项。在国际权威期刊上发表论文670多篇，论文被SCI引用56000多次（H因子>125）。担任多个国际期刊的编委或顾问。

2013年底加入北京大学深圳研究生院的广东省纳米微米材料研究重点实验室，致力于纳米微米材料研究，九年内在J. Mater. Chem. A, Chem. Mater., Chem. Eng. J.等期刊发表41篇论文和23篇专利，其中通讯和第一作者论文31篇、PCT专利4项、美国专利1项、授权专利7项，H因子>24。2014年被聘为北京大学博士生导师，同年获得深圳市海外高层次人才证书在多孔材料制备表征、催化、化学合成、工艺优化领域有着多年的积累。

本文的第一作者为北京大学深圳研究生院博士后高金强和研究助理邱晨。

杨世和教授课题组的研究兴趣包括设计新材料、发现新现象、建立新机理以及拓展其在能量转换中的应用等方面。具体方向包括能量转化反应催化剂，钙钛矿光伏，太阳能燃料，光电探测器等。研究特色保持基础与应用并重，材料与器件相成，明理与创新同进。

课题组长期欢迎优秀的博士后和研究助理加入。

课题组主页：https://web.pkusz.edu.cn/chsyang/

投稿请联系contact@scimaterials.cn