第一作者：Zhong Haoyin
通讯作者：Wang Xiaopeng, Xue Junmin
通讯单位：新加坡国立大学
论文DOI：https://doi.org/10.1002/aenm.202301391
在析氧反应过程中（OER）中，预催化剂经历不可逆的结构重构衍生出的基于过渡金属的羟基氧化物（MOOH）一般被认为是OER的真正催化物种。虽然重构生成的MOOH与直接合成的MOOH具有相似的结构，但其表现出卓越的OER催化性能。因此，利用结构重构来获取高活性的MOOH已成为一种有效的提升催化活性的策略。然而，关于经过结构重构后的高OER活性的相关物理机制仍处于未知。
基于此，新加坡国立大学薛军民教授，新加坡国立大学博士后研究员王晓鹏（共同通讯作者）和新加坡国立大学钟豪胤博士生等人在Advanced Energy Materials上发表题为“Fundamental Understanding of Structural Reconstruction Behaviors in Oxygen Evolution Reaction Electrocatalyst”的综述性文章, 报道了电催化剂在OER过程中的重构行为及其活性来源研究的最新进展。该工作首先从理论出发概述了目前存在的三种电子传输机制，并归纳了在OER过程中催化剂结构重构的机理。接着，作者进一步总结了影响重构生成的MOOH的催化活性的因素。随后，作者从结构重构的动态过程和最终的结构解析为出发点，系统地总结了目前潜在的表征手段，用于解析催化剂的重构行为和活性起源。最后，作者对未来催化剂重构行为的研究方向以及催化剂的设计等进行了总结和展望。
1）对催化剂的重构机理进行了系统深入的分析与总结；
2）总结了目前对于催化剂重构后表现出优异性能的可能因素；
3）针对析氧催化剂重构行为的机理分析，系统地概述了目前潜在的有效测试手段；
图1 析氧反应过程电子传输机理
根据催化剂在费米能级附近电子态的种类，OER过程中存在三种电子转移路径。第一种是，当费米能级附近的电子态为金属时，金属作为氧化还原中心的吸附氧化机理(AEM)。第二种是，当费米能级附近电子态为氧时，晶格氧为氧化还原中心的晶格氧氧化机理(LOM)。第三种是最近报道的在费米能级附近交替出现可切换金属和氧氧化还原反应的电子转移机制(COM)。
图2 析氧过程中催化剂结构重构机理
催化剂在析氧过程中发生重构的原因可以分为四个类别: 1) 晶格氧氧化诱导的结构重组；2）金属溶出诱导的结构重组；3）阴离子（如S、Se、P等）预氧化诱导的结构重组；4）配体与氢氧根置换导致的重构。需要注意的是，在析氧过程中可能存在以上多种机制共同诱导结构重构，从而形成具有高催化活性的MOOH物种。
图3 影响重构后催化剂活性的因素
重构生成的MOOH通常表现出更加优异的催化性能，其原因可能是由于以下因素导致：1）暴露出更多的活性位点；2）形成了阳离子掺杂的MOOH；3）形成了具有不饱和配位的MOOH物种；4）表面吸附酸根离子，如SO42-，SeO32-等；5）形成了异质结；6）金属-氧八面体畸变导致了eg*能带展宽。
图4 研究催化剂重构的表征手段
对催化剂重构行为的表征可以分为两步：1）表征反应过程中的结构演变；2）表征反应后起真正催化活性物质的结构。
图5 基于重构理论和设计高效析氧催化剂的展望分析
最后，作者针对进一步理解催化剂的结构重构行为以及设计高效稳定的电催化剂，提出了未来研究方向的展望分析，包括深入研究eg*能带展宽对OER本征活性的影响，稳定具有不饱和配位的羟基氧化物以实现高效稳定催化性能，深入理解其他催化反应中催化剂的重构行为等。
1. Wang X, Xi S, Huang P, et al. Pivotal role of reversible NiO6 geometric conversion in oxygen evolution[J]. Nature, 2022, 611(7937): 702-708.
2. Zhong H, Wang X, Sun G, et al. Optimization of oxygen evolution activity by tuning e* g band broadening in nickel oxyhydroxide[J]. Energy & Environmental Science, 2023, 16(2): 641-652.
3. Wang X, Zhong H, Xi S, et al. Understanding of oxygen redox in the oxygen evolution reaction[J]. Advanced Materials, 2022, 34(50): 2107956.
4. 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三年级，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Energy & Environment Science, Advanced Energy Materials, Advanced Materials上发表文章。
王晓鹏博士，现任新加坡国立大学博士后研究员，合作导师为薛军民教授。2019年，博士毕业于新加坡国立大学。目前，主要研究方向为电催化产氧、燃料电池，压电传感器。截至现在，发表SCI 30余篇，总引用率2600余次，单篇文章最高引用率750余次，其中以第一作者或者共同通讯在 Nature，Nature Communications, Energy & Environment Science, Journal of American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Advanced Energy Materials ,等顶级英文杂志发表多篇文章。
薛军民教授，新加坡国立大学副教授，现任新加坡材料系学术主任，他主要研究能源储存、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, Angewandte Chemie International Edition, 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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