近日，我校材料科学与工程学院、广西信息材料重点实验室、广西新能源材料结构与性能协同创新中心孙立贤教授新能源科学与技术八桂学者/氢-热能源材料科学与技术研究漓江学者团队黄鹏儒副教授同新加坡国立大学、新加坡科学与技术研究局等单位的研究人员合作报道了一种光触发的新型析氧反应OER机制（COM，Coupled oxygen evolution mechanism），其中去质子化金属为氧化还原中心，O-O成键时氧为氧化还原中心。这一COM机制能够突破传统OER机制的弊端，极大提升催化反应性能。
图1：现有的两种AEM、LOM催化机制（上）及提出的COM新机制（下）。（图源：Nature）
氢能源的大规模应用依赖于氢气的制备和存储技术的发展。电解制氢是实现氢能大规模应用的关键技术，被广泛用于储存风能、太阳能等间歇性能源。它由两种电化学反应构成，分别为发生在阴极的析氢反应（HER）和发生在阳极的析氧反应（OER）。与 HER 相比，驱动OER需要更高的过电势，这源于其缓慢的四电子-质子转移过程。因此，提升OER电催化活性，以降低电催化产氧反应所需的电压，是当前众多科研工作者努力的方向。目前OER反应存在两种机制：1）费米能级附近电子态表现金属特性时，金属作为氧化还原中心的吸附机理（AEM）；2）费米能级附近电子态表现为氧时，氧作为氧化还原中心的晶格氧机理（LOM）如图1左所示。截至现在，文献报道的OER机理都是基于这两种机制。为了提升OER电催化活性，急需在理论层面有所创新，突破现有的OER机制。
本次工作结合新型材料制备与测试、原位同步辐射吸收谱及密度泛函理论计算等研究手段在羟基氢氧化镍材料中首次报道了一种光触发的新型OER机制（COM）。不同于现有的AEM和LOM机制，当催化反应遵循COM时，金属和氧交替得作为氧化还原中心，去质子化过程中金属为氧化还原中心，O-O成键时氧为氧化还原中心（如图1右所示）。因此，COM机制能够突破现有OER机制的弊端，进一步提升催化性能。实验表明，COM机制能够大幅度提升析氧性能，使10 mA cm-2过电势最低降低至135 mV，为目前该领域报道的最好性能之一。这一工作对于深入理解氢能制备和存储的机理，突破限制全解水的动力学限制，寻找价格低廉、储量丰富且催化性能优异的析氢/析氧催化剂，实现氢能的大规模应用具有重要意义。
相关文章以“Pivotal role of reversible NiO6 geometric conversion in oxygen evolution ”为题，近日发表在《自然》Nature上。该工作也是桂林电子科技大学首次作为主要单位参与的突破性成果在Nature上发表，获得了广西八桂学者、桂林市漓江学者、广西千骨计划、广西信息材料重点实验室、广西新能源材料结构与性能协同创新中心的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05296-7
