表面重构的加速与自动终结，铁取代激活惰性尖晶石OER性能

第一作者：Tianze Wu, Shengnan Sun, Jiajia Song通讯作者：徐梽川，Alexis GrimaudDOI:10.1038/s41929-019-0325-4
研究背景
氢气作为一种清洁的能源载体,是未来有潜力的替代燃料。但短期内要实现以氢气作为主要能源仍有很大难度，其中的一个原因就在于水分解反应效率低，成本高。水分解反应可以分为析氢（HER）和析氧（OER）两个半反应，其中，析氧反应因为涉及到四个电子，其动力学非常缓慢，限制了整个反应的速率，因此开发高效、低成本的OER催化剂是电解水领域最核心的课题之一。
目前公认活性比较高的OER催化剂包括：贵金属氧化物IrO2、RuO2以及第三周期过渡金属化合物（主要是Ni, Co, Fe的羟基化合物）。对于Co基催化剂而言，在反应条件下，其表面可以发生重构，原位产生高活性位点CoOOH，但是要控制这种表面重构并不容易。从OER性能优化的角度出发，人们一方面希望能够加速这种重构，从而得到更多的活性位点；另一方面又希望能够适时终结这一重构，从而避免因完全破坏所有氧化物本体结构而减小活性面积。

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OER电催化三剑客铁钴镍(I): 活性位点3.

OER电催化三剑客铁钴镍(II): 导电性和基底的影响

本文亮点有鉴于此，南洋理工大学徐梽川教授课题组与法国Chimie du Solide et de l’Energie的Alexis Grimaud合作，开发了一种促进惰性但低成本CoAl2O4表面重构的方法，通过少量Fe取代Al使其OER活性可以媲美甚至超越IrO2. 结合一系列原位表征结果，作者提出在OER反应条件下，1）Fe一方面可以促进CoAl2O4表面重构生成活性CoOOH化合物，并激活重构羟基氧化物的去质子化作用，诱导带负电的氧作为活性位点，从而显着提高CoAl2O4的OER活性。3)另一方面，Fe促进了Co的预氧化并通过影响O2p电子结构引入了很大的结构灵活性，这导致表面氧空位的累积以及晶格氧氧化，进而通过Al3+的浸出终止了重构。

徐梽川老师前期相关工作链接：

1. 南洋理工Nature Energy：谈谈机理, CoZn羟基氧化物高效OER的秘密

2. 通过掌握亚稳态尖晶石氧化物表面重构的规律来设计更好的析氧催化剂

图文解析图1. 所制备的CoFexAl2-xO4催化剂的结构表征和OER性能。
图2. 催化剂pre-OER行为的原位研究以及表面重建/去质子化过程示意图
图3. 从电子角度解释Fe取代对表面重构的影响。

图4. Al3+浸出的重建终止机制。

作者介绍
徐梽川，新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院副教授。主要研究方向为电化学，电催化，储能技术等。课题组链接：http://www.ntu.edu.sg/home/xuzc/
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41929-019-0325-4#Abs1（点击文末｢阅读原文｣直达原文阅读）
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