长春应化所在碱性析氧反应晶格氧再生动力学优化及稳定催化方面取得重要进展

中国科学院长春应用化学研究所在碱性析氧反应晶格氧再生动力学优化及稳定催化方面取得重要进展。长春应化所祝建兵研究员、邢巍研究员与香港城市大学黄勃龙教授团队提出界面氢键网络工程策略，通过在NiFeOOH表面原位化学吸附SO₄^2-等含氧阴离子，重塑催化剂界面氢键网络结构，加速OH^-供给和晶格氧补充，实现晶格氧机制主导下的催化剂稳定性的提升。相关研究成果以“Engineering Interfacial Hydrogen-Bond Networks to Accelerate Lattice Oxygen Regeneration for Stable Oxygen Evolution Catalysis”为题发表在国际权威期刊《Journal of the American Chemical Society》。

阴离子交换膜水电解（AEMWE）是低成本制绿氢的重要技术，但受限于阳极析氧反应（OER）的缓慢动力学。析氧反应的晶格氧氧化机制（LOM）能够绕过传统吸附质演化机制中的线性标度关系，能有效降低过电位，但同时其在反应过程中产生氧空位，若氧空位不能被及时补充，催化剂容易出现结构退化和活性组分溶出，导致稳定性下降。

针对这一问题，本研究利用锚定在NiFeOOH表面的SO₄^2-调控氢键网络：一方面限制水合阳离子在双电层中的过度累积，另一方面通过含氧阴离子构建连续且柔性的界面氢键网络，强化OH^-/质子迁移，促进氧空位再生，从而实现催化剂稳定性的提升。同位素标记、原位光谱和理论计算共同表明，该策略显著增强LOM反应活性，并将OH^-扩散系数提高25倍，氧空位填充能垒由0.93 eV降至0.42 eV。NiFeOOH@SO₄^2-在AEMWE以2.0 A cm^-2大电流密度运行2000小时，衰减率低至0.053 mV h^-1。该“界面阴离子调控”策略可推广至其他含氧阴离子和不同金属基底，未来结合更高时空分辨的原位光谱和理论模拟，有望实现耦合催化剂电子结构和催化界面氢键网络的协同设计，为长效氢电催化剂开发提供新方向。

图1 界面氢键网络工程示意图

图2 界面水结构原位分析

研究成果详见《Journal of the American Chemical Society》期刊：https://doi.org/10.1021/jacs.6c03222