第一作者：Zhong Haoyin
通讯作者：薛军民、王晓鹏、席识博、余志根
通讯单位：新加坡国立大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43302-2
在电催化析氧反应（OER）中，我们此前在羟基氧化镍（NiOOH）基材料中发现了一种新型的电催化析氧机制-耦合析氧机制（COM），其不同于传统的金属作为氧化还原中心的AEM（吸附）机制和氧作为氧化还原中心的LOM（晶格氧）机制。在该新机制中，去质子化时金属作为氧化还原中心，氧-氧成键时氧作为氧化还原中心。因此，COM机制能够突破传统OER机制的弊端，提升催化性能。研究发现，该机制是由eg*能带展宽引起的。然而，eg*能带展宽在电催化耦合析氧机制中的作用及内在关联不清晰。
基于此，新加坡国立大学薛军民教授与新加坡国立大学博士后研究员王晓鹏，新加坡科技研究局化学、能源和环境可持续性研究所席识博博士，新加坡科技局超算研究所余志根博士（共同通讯作者）在Nature Communications上发表题为“Key role of eg* band broadening in nickel-based oxyhydroxides on coupled oxygen evolution mechanism”的研究工作, 揭示了eg*能带展宽在电催化耦合析氧机制中的作用。该工作以Ni1-xFexOOH（x = 0、0.05、0.2）为例，发现在低电位区域，增大eg*能带展宽可以促进去质子化过程；在高电位区域，光子利用率成为速率决定步骤，增大eg*能带展宽能扩大dz2和a1g轨道之间的非重叠区域，从而提高光子利用效率。为了验证该结论的普适性，作者同时也研究了X-NiOOH（X=NiS2, NiSe2, Ni5P4）体系中eg*能带展宽程度与速率决定步骤以及COM催化性能之间的关系。
3）在X-NiOOH（X=NiS2, NiSe2, Ni5P4）体系中，验证了eg*能带展宽对COM作用的普适性。
电化学测试表明，Ni0.8Fe0.2OOH在COM中的本征活性比Ni0.95Fe0.05OOH更高。
图2 Ni1-xFexOOH (x = 0.05, 0.2)在COM中的 *OH 去质子化和光子利用率的研究
DFT计算、同步辐射表征和拉曼分析表明：随着Fe掺杂量增加，其引起NiO6八面体畸变程度增加，从而导致eg*能带展宽的程度增加。
图4 eg*能带展宽的程度对COM的作用
最后，为了验证这一概念的普适性，作者研究了X-NiOOH（X=NiS2, NiSe2, Ni5P4）体系中eg*能带展宽程度与速率决定步骤以及COM催化性能之间的关系。
在本项研究工作中，作者通过一系列实验表征与理论计算结果证明，在COM机制中，更高的eg*能带展宽程度可以有效提升去质子化能力和光子利用率，从而实现更好的OER性能。该工作为设计高效OER催化剂提供了指导。
5. Wu C, Wang X, Tang Y, et al. Origin of Surface Reconstruction in Lattice Oxygen Oxidation Mechanism Based‐Transition Metal Oxides: A Spontaneous Chemical Process[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2023, 62(21): e202218599.
钟豪胤，新加坡国立大学材料系博士四年级，导师为薛军民教授。研究方向为电催化产氧，目前以第一作者在Nature Communications, Energy & Environment Science, Advanced Energy Materials, Advanced Materials上发表文章。
席识博博士，新加坡科技研究局（A*STAR）下属的化工，能源与环境可持续发展研究院（ISCE2）的scientist III，并担任新加坡国立大学新加坡光源（SSLS）XAFCA实验室负责人。博士毕业于高能物理研究所同步辐射实验室。研究活动聚焦于同步辐射光束线建设和优化维护，并在软X射线和硬X射线吸收谱方法学、吸收谱数据处理解析和吸收谱理论计算等方面有丰富经验。在工作期间，搭建了具有国际领先水平的原位催化吸收谱表征实验站。培训并维护了新加坡本地的吸收谱用户群体。迄今为止，在各大主流科学期刊（包括Science，Nature及其各大子刊）上发表文章两百余篇，引用数超过一万，H因子为55。
余志根教授，新加坡科技研究局高级研究员，新加坡国立大学副教授。研究领域：OER, HER, NH3，CO2等领域电催化剂的研究；纳米材料，半导体电学及光学性能研究；储能装置的电极设计；功能材料中缺陷的模拟。作为通信作者在Nature, Nature Comm, Energy Environment & Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, ACS Nano等国际重要学术期刊发表多篇论文。
王晓鹏博士，新加坡国立大学博士后研究员，入选国家级青年人才，近期将入职四川大学。2019年，博士毕业于新加坡国立大学，主要研究方向为电催化产氧、燃料电池。截至现在，发表SCI30余篇，总引用率2900余次，单篇文章最高引用率780余次，其中以第一作者或通讯发表多篇SCI，包括Nature (1), Nat. Commun. (2), Energy Environ. Sci. (2), Angew. Chem. Int. Ed. (2), J. Am. Chem. Soc. (1), Adv. Mater. (1), Adv. Energy Mater. (1)。
薛军民教授，新加坡材料系主任，主要研究能源储存、环境清洁和应用生物医学等方面的功能纳米材料的合成，出版学术专著3部, 作为通信作者在Nature, Nature Comm, Energy Environment & Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials，ACS Nano等国际重要学术期刊发表多篇文章，美国陶瓷学会高级会员，担任多种国际重要学术期刊编委，多次担任国际会议分会场主席，指导研究生50余人。
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