【人物与科研】北京大学深圳研究生院杨世和教授课题组：LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂用于工业条件下长时间高效水氧化

导语

电催化分解水制氢是实现大规模生产高纯度氢气的有效方法。目前NiFe层状双羟基化合物（LDH）是用于氧析出反应（OER）的有效非贵金属催化剂，但其在严苛工业制氢条件下的耐久性仍有待进一步提高。而局部结构类似于光合作用系统II（PS II）中产氧团簇（OEC）原子结构的水钠锰矿（birnessite）具有稳定的MnO₂基质，但OER活性较低。如何同时实现高活性和高稳定性催化剂的构筑，是一个具有挑战性的难题。近日，北京大学深圳研究生院的杨世和教授、龙霞副教授，与香港理工大学的黄勃龙教授合作，在这一领域取得了新突破（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202016064)。

杨世和教授课题组简介

杨世和教授课题组的研究兴趣包括设计新材料、发现新现象、建立新机理以及拓展其在能量转换中的应用等方面。具体方向包括能量转化反应催化剂，钙钛矿光伏，太阳能燃料，光电探测器等。研究特色保持基础与应用并重，材料与器件相成，明理与创新同进。

前沿科研成果

LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂用于工业条件下长时间高效水氧化

NiFe层状双羟基化合物（LDH）是用于氧析出反应（OER）的有效非贵金属催化剂，但由于氢氧化物固有的绝缘体性质，LDH的导电性限制了其OER催化性能。北京大学深圳研究生院杨世和教授课题组创造性的用离子交换的方式将导电石墨烯插入NiFe LDH层间（Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 126, 7714），实现了催化活性位点与高导电性纳米材料在原子尺寸上的直接接触。同时，课题组研究发现，在NiFe LDH中引入第三种过渡金属Co元素，得到的NiCoFe LDH的OER催化性能得到进一步提高（Chem. Commun., 2015, 51, 1120）。但实现高催化活性的同时，NiFe LDH的长期稳定性，尤其是在严苛工业制氢条件下的耐久性仍有待进一步提高。基于此，课题组选择将高催化活性的NiFe LDH与具有稳定MnO₂基质的Birnessite结合，利用剥离后的单层LDH和birnessite具有相反电荷的特点，通过二维静电自组装策略，将带正电的单层NiFe LDH作为电荷补偿阳离子插入Birnessite中带负电的八面体MnO₂层间，有效构筑了LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂（图1），实现了工业碱性电解水条件下的长时间高效稳定的水氧化催化。

图1. Bienessite和LDH的原子结构示意图，以及通过剥离和静电自组装过程构筑LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.)

XPS光谱显示，当MnO₂层和LDH层自组装成LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂时，MnO₂层和LDH层之间发生了电子转移。同时1H-ssNMR光谱表明，LDH-Bir具有较弱的氢键结构，可以降低局部质子浓度，稳定活性位点。

图2. 制备的LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂的结构和键合信息。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.)

将LDH(+)-Bir(-)用于碱性OER反应，表现出优异的OER催化活性和长期稳定性。更难得的是，该催化剂在85 ℃和6 M KOH的工业制氢条件下，以及100 mA/cm²和500 mA/cm²的大电流密度下，仍然具有出色的耐久性。

图3. 制备的LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂的电化学性能表征。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.)

DFT计算表明，对于LDH-Bir，中间层的NiFe LDH能够调节电子分布，增强局部电子活性，进一步验证了LDH-Bir中Ni、Mn和Fe离子之间的电子转移。同时，通过优化该催化剂的吸附-脱附性能，实现了高效和稳定的OER催化性能。

图4. DFT计算结果。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.)

综上，本文设计合成的LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂在碱性电解液中表现出优异的OER催化活性和长期稳定性。甚至在85 ℃和6 M KOH的工业碱性电解水制氢条件下，以及在高达100 mA/cm²和500 mA/cm²的电流密度下，该催化剂仍然具有出色的稳定性，进而同时解决了LDH低稳定性和birnessite低活性的问题。该文通过这种新颖的2D-2D静电自组装策略，实现了电催化剂结构功能的灵活调节和协同增效，这为设计用于工业水氧化的高效OER催化剂开辟了独特的途径。

本文的第一作者为北京大学深圳研究生院博士后陈柱文和博士研究生鞠敏，通讯作者为北大深研院龙霞副教授，杨世和教授及香港理工大学黄勃龙教授。

课题组招聘

课题组长期欢迎优秀的博士后和研究助理加入

课题组主页：

http://web.pkusz.edu.cn/chsyang/

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

关于人物与科研

在科技元素在经济生活中日益受到重视的今天，中国迎来了“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在化学领域，在追求创新驱动的大背景下，国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多非常优秀的课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，CBG资讯、ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官方微博、CBG微信订阅号等平台合力推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注他们的研究，倾听他们的故事，记录他们的风采，发掘他们的科研精神。欢迎联系：[e-mail]

CBG资讯一直致力于追踪新鲜科研资讯、解读前沿科研成果。如果你也对科研干货、高校招聘、不定期福利（现金红包、翻译奖励、实验室耗材优惠券等）有兴趣，那么，请长按并识别下图二维码，添加C菌微信（微信号：chembeango101），备注：进群。
●复旦大学张琪教授课题组：砷糖生物合成过程中关键酶ArsS的催化机制
●苏州大学张桥课题组和广东工业大学徐勇课题组：单分散纳米颗粒中钯和氧化镓之间的金属-载体强相互作用应用于丙炔半加氢
●北京大学徐冰君教授课题组：利用原位透射红外光谱研究Ga/H-ZSM-5中Ga的物种形态
●华东师范大学杨海波课题组：通过限域自组装构筑双功能非均相催化剂用于串联反应研究