▲第一作者：陈柱文，鞠敏；通讯作者：龙霞副教授，黄勃龙教授，杨世和教授
论文DOI：10.1002/anie.202016064 本文利用剥离后电荷互补的二维LDH和二维birnessite单层间的静电自组装，有效构筑了LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂。该催化剂可以在工业电解水制氢条件下进行长时间稳定高效的催化水氧化。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，但其OER催化活性有待提高。本文考虑到LDH具有高OER活性但缺乏稳定性，而Bir具有稳定结构但OER活性欠佳的问题，利用这两类层状材料剥离后的主板层电荷互补的特点，进行原位剥离与静电组装，实现了LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂的制备。该催化剂在实验室及工业碱性电解水制氢条件下显示出优异的OER活性和长期稳定性。基于实验结果，结合DFT计算，研究并解释了引起OER活性增强以及稳定性提高的原因。要点1. 如图（1）所示，LDH和Birnessite都具有二维层状结构，且主层板电荷互补，可以剥离后通过静电自组装的方式构筑LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂。▲图（1）. Birnessite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。
要点2. 如图（2）所示，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。
要点3. 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。更为难得的是，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，仍然具有出色的催化活性和耐久性。▲图（3）. 制备的LDH(+)-Bir(-)杂化催化剂的电化学性能表征。
要点4. 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，实现了高效和长时间稳定的OER催化反应。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。总之，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。
