中國科大：宏量制備無定形NiFeMo氧化物及其表面重構助力高效OER電催化
析氧反應（OER）是電化學全水解產氫的關鍵步驟，緩慢的OER動力學過程在很大程度上阻礙了全分解水系統的應用。因此，發展廉價高效的OER電催化劑，進一步降低電極過電勢，是非常具有挑戰性課題。相對于目前廣泛報道的結晶型電催化劑而言，無定形OER電催化劑因其提高的性能而逐漸受到關注。然而，制備無定形催化劑的方法發展緩慢，而且無定形結構在催化反應中的作用仍然沒有清晰的解釋。材料空位（如氧空位）是OER催化劑的理想催化位點，其可以提高材料導電性，調節催化材料表面與氧中間體的相互作用，降低動力學能壘，從而提高OER性能。然而，如何實現催化劑中適量氧空位的生成仍然面臨很大的挑戰。
圖1. 無定形NiFeMo氧化物的大規模合成
近日，中國科學技術大學俞書宏教授（點擊查看介紹）團隊和高敏銳教授（點擊查看介紹）課題組通過室溫過飽和溶液共沉積法，實現了無定形NiFeMo氧化物納米材料的宏量制備。該方法簡便快捷，反應幾分鐘即可一次性生產多達515克的產物 （圖1）。制備的無定形NiFeMo氧化物在堿性條件下展示出優異的OER催化活性，明顯優于結晶型的NiFeMo氧化物。其在10 mA/cm2的過電位僅為280 mV，并表現出優異的循環穩定性（圖2）。
圖2. 無定形NiFeMo氧化物和結晶型NiFeMo氧化物的OER性能比較
通過深入觀察測試中催化劑的衍變，研究人員發現無定形NiFeMo氧化物在OER過程中經歷了快速的表面自重構過程，形成了富氧空位的NiFeOOH活性層，而后者作為真正的活性中心表現出優異的催化活性。原位拉曼信號表明無定形NiFeMo氧化物能在更低的過電勢下形成NiFeOOH活性層。相對而言，結晶型NiFeMo氧化物，其表面自重構過程緩慢，這是因為Mo從結晶型NiFeMo晶格擴散溶解到電解質中的過程受到限制，導致Ni/Fe陽離子的表面自構造過程受到抑制，從而無法形成高效的活性中心（圖3）。進一步的密度泛函理論（DFT）計算表明，氧空位可以弱化*OOH吸附，提高OER性能。
圖3. 無定形NiFeMo氧化物和結晶型NiFeMo氧化物的原位拉曼測試和表面重構示意圖
該研究工作對無定形金屬氧化物的合成及催化機理進行了深入闡述，為宏量制備無定形金屬氧化物OER催化劑的合成與研究提供了新思路。相關研究論文發表在Angewandte Chemie International Edition 上。該論文共同第一作者為中國科學技術大學博士生段玉、博士后余自友和博士生胡少進。
