电解水资料规划研讨获得发展

近来，中国科学院大连化学物理研讨所理论催化立异特区研讨组研讨员肖建平团队与日本理化学研讨所教授中村龙平团队，在电解水资料规划研讨中获得新进展，制备了尖晶石构型的Co2MnO4资料，完成了超高效安培级电流密度电解水活性，并完成酸性环境中超长的电解安稳性。

制备高活性且在酸性环境中具有超长的电解安稳性非贵金属电解水(oxygen evolution reaction，OER)催化剂是清洁动力使用领域中的研制要点。本研讨中，中村龙平团队在金属氧化物Co3O4中掺入Mn元素，制备出尖晶石构型的Co2MnO4资料，完成了高效且在酸性环境中高安稳性的电解水进程;肖建平团队运用“反响相图+微观动力学模仿”的研讨办法，初次树立了OER进程的失常截顶活性火山型曲线，证明了该资料在各种构型环境下皆可表现高效电解水活性。一起，肖建平团队提出“双通道溶解模型”，进一步解说了其在酸性环境中表现超长的电解安稳性的主要原因。

肖建平团队根据第一性原理密度泛函理论核算，从分子/原子的视点探讨了OER催化进程，其间，树立催化活性趋势来剖析不同资料或特定资料的不同构型(外表、活性位点等)的催化活性是理论研讨的最新范式。理论催化活性趋势的树立往往根据外表重要中心物种之间的彼此线性相关，由此能够将催化活性经过描述符的方法表达，然后树立活性趋势。

本作业中，在针对尖晶石金属氧化物外表的OER进程树立的二维“反响相图”中，肖建平团队发现了其活性趋势呈现出失常截顶的活性火山型曲线，即跟着中心物质吸附强度的改动，资料活性坚持不变。根据试验中发现的Co2MnO4资料的各种局域构型(包含Co/Mn的丢失、缺点、富集等)，肖建平团队进一步发现其所有构型皆处于失常截顶的活性火山型曲线的极点平台上。这提醒了该资料能够表现超高电催化活性的原因，解说了其在部分外表溶解重构的进程中仍能保持高电催化活性的根本原因。不同资料表现的理论活性与试验的拟合也进一步证明了该观念。此外，在理论活性研讨中，肖建平团队经过电荷外插值法，核算了OER进程中每个电化学进程在不同作业电压下的反响能垒，经过微观动力学模仿得到理论速率，发现其与试验成果拟合，证明了理论核算成果可靠性。

别的，肖建平团队经过树立双通道溶解模型进一步探求资料在特定电催化环境下的安稳性，即一起研讨金属位点和晶格氧在特定作业电压下的溶解且考虑其先后顺序。研讨标明，Co2MnO4资料的溶解进程包含金属(Co/Mn)的溶解，H2O的去质子化并结合晶格O构成OOH*，以及氧空位的构成。该进程全体是热力学放热进程，而晶格氧溶解的基元进程表现出较大的热力学势垒，是该进程的速控进程。因而，晶格氧的溶解被用作理论安稳性描述符，用于探究资料的安稳性，其与试验成果的拟合证明了该研讨的可靠性。此外，科研团队对bader电荷剖析发现，在掺入Mn后，Mn-O中存在更多的电荷转移，表现出更强的Mn-O键能，证明了晶格O安稳性的提高。该成果在往后的理论催化剂规划中，能够猜测活性趋势，并可精确掌握催化安稳性。

相关研讨成果以Enhancing the Stability of Cobalt Spinel Oxide towards Sustainable Oxygen Evolution in Acid为题，宣布在《天然-催化》(Nature Catalysis)上。研讨作业得到国家要点研制方案、中科院洁净动力立异研讨院协作基金、国家天然基金、中科院战略性先导科技专项(B类)“功用纳米体系的精准构筑原理与丈量”等的支撑。

论文链接

a、中心物种吸附能的scaling联系，b、OER活性截顶火山型曲线，c、理论活性与试验的比照，d、电荷外插值法核算电化学进程能垒，e、不同电压下的反响能线图，f、微观动力学模仿验证不同电压下理论活性的精确性