析氧反应（OER）是电化学全水解产氢的关键步骤，缓慢的OER动力学过程在很大程度上阻碍了全分解水系统的应用。因此，发展廉价高效的OER电催化剂，进一步降低电极过电势，是非常具有挑战性课题。相对于目前广泛报道的结晶型电催化剂而言，无定形OER电催化剂因其提高的性能而逐渐受到关注。然而，制备无定形催化剂的方法发展缓慢，而且无定形结构在催化反应中的作用仍然没有清晰的解释。材料空位（如氧空位）是OER催化剂的理想催化位点，其可以提高材料导电性，调节催化材料表面与氧中间体的相互作用，降低动力学能垒，从而提高OER性能。然而，如何实现催化剂中适量氧空位的生成仍然面临很大的挑战。

图1. 无定形NiFeMo氧化物的大规模合成

近日，中国科学技术大学俞书宏教授（点击查看介绍）团队和高敏锐教授（点击查看介绍）课题组通过室温过饱和溶液共沉积法，实现了无定形NiFeMo氧化物纳米材料的宏量制备。该方法简便快捷，反应几分钟即可一次性生产多达515克的产物 （图1）。制备的无定形NiFeMo氧化物在碱性条件下展示出优异的OER催化活性，明显优于结晶型的NiFeMo氧化物。其在10 mA/cm²的过电位仅为280 mV，并表现出优异的循环稳定性（图2）。

图2. 无定形NiFeMo氧化物和结晶型NiFeMo氧化物的OER性能比较

通过深入观察测试中催化剂的衍变，研究人员发现无定形NiFeMo氧化物在OER过程中经历了快速的表面自重构过程，形成了富氧空位的NiFeOOH活性层，而后者作为真正的活性中心表现出优异的催化活性。原位拉曼信号表明无定形NiFeMo氧化物能在更低的过电势下形成NiFeOOH活性层。相对而言，结晶型NiFeMo氧化物，其表面自重构过程缓慢，这是因为Mo从结晶型NiFeMo晶格扩散溶解到电解质中的过程受到限制，导致Ni/Fe阳离子的表面自构造过程受到抑制，从而无法形成高效的活性中心（图3）。进一步的密度泛函理论（DFT）计算表明，氧空位可以弱化*OOH吸附，提高OER性能。

图3. 无定形NiFeMo氧化物和结晶型NiFeMo氧化物的原位拉曼测试和表面重构示意图

该研究工作对无定形金属氧化物的合成及催化机理进行了深入阐述，为宏量制备无定形金属氧化物OER催化剂的合成与研究提供了新思路。相关研究论文发表在Angewandte Chemie International Edition 上。该论文共同第一作者为中国科学技术大学博士生段玉、博士后余自友和博士生胡少进。

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Scaled-up Synthesis of Amorphous NiFeMo Oxides and Their Rapid Surface Reconstruction for Superior Oxygen Evolution Catalysis

Yu Duan, Zi-You Yu, Shao-Jin Hu, Xu-Sheng Zheng, Chu-Tian Zhang, Hong-He Ding, Bi-Cheng Hu, Qi-Qi Fu, Zhi-Long Yu, Xiao Zheng, Jun-Fa Zhu, Min-Rui Gao, Shu-Hong Yu

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, DOI: 10.1002/anie.201909939

导师介绍

俞书宏

https://www.x-mol.com/university/faculty/14794

高敏锐

https://www.x-mol.com/university/faculty/26797