大连理工大学李福胜副研究员：水氧化质子转移媒介提升OER性能

大连理工大学李福胜副研究员等人通过把质子转移媒介阴离子引入到镍铁双层氢氧化物片层中，加快了水氧化反应速率控制步骤中的质子转移，提高了催化剂OER活性。

电化学水裂解产氢被广泛认为是最有前途的能源存储策略之一。由于水氧化反应具有较高的热力学能垒，涉及多电子和多质子转移以及O–H键的活化和氧–氧键(O–O)的形成等过程，是一个耗能高且动力学缓慢的复杂过程。研究表明，水氧化反应速率除了受到电子转移的热力学过程影响外，还会受到质子转移的动力学过程的控制。因此，对于高效的水氧化催化剂的开发，研究水氧化过程中O–H键的有效活化和速率控制步骤（RDS）中的界面质子转移过程是至关重要的。

最近，大连理工大学精细化工国家重点实验室李福胜副研究员、孙立成教授等人通过原位电化学沉积的方法将全氟丁基磺酸根阴离子（FBS）引入到镍铁双层氢氧化物（NiFe–LDH）片层中，得到了一种新的催化剂（NiFe–FBS）。该催化剂在碱性介质中表现出优异的OER性能，仅需200 mV的过电位就可以达到 10 mA cm⁻²的电流密度（碳纸为基底），塔菲尔斜率为25.8 mV dec⁻¹。NiFe–FBS的OER反应活化能远远小于传统的NiFe–LDH，表明FBS的引入确实改变了催化剂的本征活性和反应路径，从而提高了催化性能。对NiFe–FBS和NiFe–LDH催化水氧化反应的反应机理的进一步研究揭示，NiFe–FBS和NiFe–LDH的水氧化反应速率控制步骤（RDS）都涉及协同的质子耦合电子转移过程，质子转移参与反应速率的控制。动力学同位素效应(KIE)测试表明NiFe–FBS相比于NiFe–LDH拥有更小的一级动力学同位素效应数值，暗示在NiFe–FBS催化中心附近存在着质子转移受体的官能团加快了质子转移速率。通过质子存量（proton inventory）和原子质子转移（atom proton transfer）技术，证实了磺酸根阴离子可以作为质子转移受体促进了NiFe–FBS水氧化过程中的质子转移过程，从而提高了水氧化反应速率（见下图）。

综上所述，FBS的磺酸基团作为质子受体，可以加速反应的质子转移过程，降低反应活化能，提高水氧化催化剂的催化性能。本研究提供了一种通过将有机阴离子作为质子转移媒介引入到催化反应中心周围，通过加速质子转移速率来提高OER催化活性的新颖策略。

该研究结果以“Promotion of the Oxygen Evolution Performance of Ni−Fe Layered Hydroxides via the Introduction of a Proton Transfer Mediator Anion”为题在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry。

扫描二维码免费阅读全文

【扩展阅读】

通讯作者简介

李福胜 大连理工大学副研究员。2004–2011年先后获大连理工大学学士和硕士学位。2011–2016年就读瑞典皇家理工学院，获得博士学位。研究内容涉及质子耦合电子转移，催化剂分子结构设计、水分解分子器件的制备以及其电极表面反应动力学和机理研究等领域。目前在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Joule, Nat. Commun., Research, ACS Catal.,. 等学术期刊发表学术论文40余篇。

(http://faculty.dlut.edu.cn/lifusheng/zh_CN/index.htm)