章福祥研究团队揭示水氧化过程中高活性水氧化物种为高价铁

sandongqi

近日，我所太阳能研究部太阳能制储氢材料与催化研究组（DNL1621组）章福祥研究团队在铁基电催化水氧化机理研究中取得进展，以铁钒（FeV）双金属电催化剂作为研究模型，利用一系列原位表征技术结合理论计算揭示了水氧化过程中高活性水氧化物种为原位生成的高价铁（Fe4+）。
　　利用太阳能催化分解水制氢是实现太阳能至化学能转化的重要方式之一。水氧化过程涉及四电子转移和热力学爬坡双重挑战，因此，高效水氧化助催化剂的开发受到这一领域科研人员的广泛关注。其中，通过电催化水氧化催化剂的设计合成，开发高效水氧化助催化剂是一条重要途径。
　　铁基水氧化电催化剂由于具有原料地球储量丰富和结构稳定等优点受到高度关注和广泛报道，特别是近些年发现，Fe基双金属催化剂（例如FeCo、FeNi等）具有非常高效的碱性水氧化反应（OER）活性。然而，由于Fe基双金属催化剂中Co或Ni金属氧化物/羟基氧化物本身也具有高效的水氧化性能，因此，对于上述双金属催化剂中真正的活性位是来自于Fe物种、Co或Ni物种、还是它们的协同作用等一直处于争论状态，至今仍无法确定Fe基物种是否能真正成为高效的水氧化活性位。

　　本工作中，科研人员巧妙地将水氧化惰性的钒（V）元素与Fe复合来确定Fe基物种为唯一的活性位，制备的FeV双金属基催化剂不仅获得了显著优于单纯Fe基水氧化催化剂的OER性能（290 mV@500 mA cm-2，1000 h@500 mA cm-2）；而且通过原位X射线吸收谱、57Fe原位穆斯堡尔谱等表征探测发现，FeV双金属基催化剂在OER过程中会生成高价Fe4+物种，而在纯Fe基催化剂中没有观察到明显的Fe4+物种，从而证实了该反应中原位生成的Fe4+结构为高效水氧化活性物种，DFT理论计算进一步解释了其取得高OER活性的原因。
　　相关工作以“Confirming High-Valent Iron as Highly Active Species of Water Oxidation on the Fe,V Coupled Bimetallic Electrocatalyst: In Situ Analysis of X ray Absorption and Moössbauer Spectroscopy”为题，于近日发表在《美国化学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）上。该工作共同第一作者为我所DNL1621组博士留学生Rashid Mehmood、助理研究员范文俊，南开大学博士研究生胡绪。相关研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目，以及我所穆斯堡尔谱实验室王军虎研究员团队、北京光源机时等支持。（文/图 范文俊、Rashid Mehmood）
　　文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c02288
      文献来源：大连化物所
        章福祥,大连化物所研究员。1977年生于江西，2004年于南开大学化学学院获得物理化学博士学位，同年留校任教至2007年8月，2007年9月至2008年6月于巴黎第六大学做访问学者，2008年7月至2011年9月在东京大学做博士后和助理教授，2011年10月回国，现为大连化物所研究员、博导。获中科院“百人计划”择优项目、国家基金委优秀青年基金等资助。