台大陈浩铭教授Angew: 异质原子对构型决定水氧化活性

第一作者：朱艳萍

通讯作者：陈浩铭*

单位：台湾大学

通过可再生能源发电驱动水分解制氢，是替代传统化石能源的清洁能源方案之一。水分解主要受其氧化半反应（OER）所限，因此需要开发高效的OER电催化剂以提升水分解效率。过去几十年中大量的工作表明：与单金属对应物相比，合适的异质原子（双金属或多金属）电催化剂通常表现出更优异的OER电催化性能。但异质原子中个体的作用以及原子间的相互作用并不清楚。

基于此，来自台湾大学的陈浩铭教授在国际知名期刊Angewandte Chemie上发表题为“Hetero-Atomic Pairs with a Distal Fe³⁺-Site Boost Water Oxidation”的文章。该文章以两步法合成了具有相反构型的Fe-Co/WP和Co-Fe/WP电催化剂（WP为基底），并借助原位X射线吸收谱(XAS)和详尽的电化学表征揭示了异质原子对构型是决定OER活性的关键因素，并在此基础上深入阐释了异质原子对和基底协同配合促进OER的反应机制。

图1.（a-c）电催化性能；（d）Fe-Co/WP和（e）Co-Fe/WP电催化剂模型。

以磷化钨（WP）为基底,先用简单的热处理方法将Co和Fe分别均匀分散于WP基底中,以形成Co/WP和Fe/WP预催化剂（pre-catalyst），随后以电化学沉积的方法合成了具有相反构型的异质原子对的Fe-Co/WP和Co-Fe/WP电催化剂。其中Co-Fe/WP电催化剂OER性能显著优于反相构型的Fe-Co/WP催化剂。原位XAS和电化学结果揭示，Co-Fe/WP电催化中远端位置的路易斯酸性Fe³⁺更利于促进活性的 Co⁴⁺/³⁺生成和配位水的去质子化，最终同时增强OER过程中电子和质子转移的能力。

要点二：各种电极材料的OER反应机制分析

图2.所研究的各个材料上的OER机理。(a)Co-Fe/WP, (b) Fe-Co/WP, (c) Co/WP, (d) Fe/WP, (e) Co-Fe-N-C 和 (f) Fe-Co-N-C。

通过对预催化剂Co/WP和Fe/WP，催化剂Fe-Co/WP和Co-Fe/WP，以及碳基底的Fe-Co-N-C和Co-Fe-N-C催化剂的预平衡步骤（PES）和速控步骤（RDS）分析表明：在Co基电催化剂中，Co⁴⁺=O是关键的活性中间体，O-O键的形成来自OH^-对Co⁴⁺=O的攻击。而路易斯酸性Fe³⁺对Co的氧化还原电位以及电子/质子转移的数量有显着影响。另外，WP基底与N掺杂的C基底相比，Co-Fe原子对与WP之间更强的金属-载体相互作用调节了PES和RDS中氢氧化物的转移顺序，导致Co-Fe/WP电催化剂具有更显着的OER活性。

Hetero-Atomic Pairs with a Distal Fe³⁺-Site Boost Water Oxidation

陈浩铭教授简介：台湾大学理学院化学系教授，于2008年获得台湾大学化学系博士学位。2009年至2013年先后于台大化学系、物理系以及美国加州大学伯克利分校杨培东教授课题组进行博士后研究，于2013年至今任职于台湾大学。陈教授课题组主要从事新能源材料的研究，通过开发各种原位光谱分析技术（例如原位XRD，原位XAS，原位TEM和原位Raman等），多角度、系统地揭示电极材料在能源转换反应过程中的变化,为下一代新能源材料的开发提供指导思路。

已发表超过150篇SCI论文，被引用次数超过19000次，H因子65，其中包括Science, Nat. Energy, Nat. Comm., Adv. Mater., Joule, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Energy Environ. Sci.,等高水平杂志。陈教授因其卓越的科研成就，获得了2020年科睿唯安(Clarivate)高被引学者，2019年科技部杰出研究奖，2018年杰出人基金会年轻学者创新奖，2017年台湾科技部吴大猷先生纪念奖及2017年中国化学学会杰出青年化学奖章等殊荣。

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