今天非常荣幸邀请到格里菲斯大学赵惠军教授课题组对他们最新发表在Advanced Materials的文章进行分享。本文的立意、设计与实施主要由第一作者窦玉海教授完成，何纯挺教授负责理论计算，赵惠军教授给予精心指导。他们所提出的高效催化剂设计理念对优化现有催化剂和探索发现新型催化剂有重要意义。研究和开发过渡金属析氧反应催化剂是降低电解槽成本、促进电解水制氢技术产业化应用的关键。类石墨烯二维过渡金属基催化剂因大量活性位点暴露在表面而体现出超越贵金属的催化活性。同时，因催化剂的表面活性高，方便引入缺陷进一步优化催化性能。然而，目前报道的缺陷调控手段多通过试错法，效率低且效果差。近日，澳大利亚格里菲斯大学赵惠军教授和山东高等技术研究院窦玉海教授联合报道了一种基于中间体结合能插值原理设计析氧反应催化剂的新思路，此方法更有针对性和目的性，所制备的催化剂体现出优异的催化活性和稳定性。作者首先通过第一性原理计算揭示了CoOOH中 W掺杂和Co空位对OER中间体结合能调控的插值原理（图 1）—W掺杂使得CoOOH与OOH的结合能增强，Co空位使得CoOOH与OOH的结合能减弱，而W掺杂和Co空位共同创造的活性位点与OOH结合能分布于单独W掺杂和单独Co空位之间，其中，图1b左上角所示活性位点具有最低的理论过电位和最高的催化活性。▲图 1. 基于中间体结合能插值原理设计的高效OER催化剂。
为了验证理论计算的结果，作者首先通过自组装法合成了类石墨烯二维Co(OH)2，在合成过程中原位引入W掺杂，后续的电化学活化可部分刻蚀W掺杂形成共存的W掺杂和Co空位，而强碱刻蚀可使W全部脱出形成Co空位（图2a）。材料的超薄二维结构和掺杂/空位缺陷通过球差校正投射电镜进行了深入表征（图2b-g）。通过对材料催化反应后Co L边和O K边的X射线吸收光谱进行分析，作者发现当W掺杂和Co空位共同存在时，Co4+的特征峰最明显。Co L边的能量损失谱也证实了W掺杂和Co空位共存时Co的氧化态是最高的，这预示着材料具备更高的催化活性（图3a-c）。后续的电化学性能表征证实了W掺杂和Co空位之间的协同作用，使得催化剂的活性显著提升，性能明显优于过去报道的同类催化剂（图3d-f）。同时，材料体现出非常好的催化稳定性（图3g）。这种在特定催化基底中引入两种具备相反调控机制的缺陷、从而利用其插值原理创建多种电子结构的策略为创造高活性催化位点和设计高效催化剂提供了新的思路。相关研究将有助于催化、能源等相关领域的发展。这篇文章是作者最近多项工作的一个典型代表。材料科学研究的最前沿是原子级别的表征和机理探究。本文所采用的球差校正投射电镜和理论计算都在原子层面上对催化剂的结构和作用机理进行了深入细致的解析。作者未来的工作将专注于各种原位技术，探究材料本身以及缺陷结构在催化作用过程中的演变，为更好地了解催化剂的作用机理做出努力。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202104667
