【原】郑州轻大&安徽农大《AFM》：实现高效电化学水氧化过程！

电化学再利用技术，包括二氧化碳/氮气/氧气还原反应过程、水分解系统和金属-空气电池，是实现碳中和的可持续手段。研究人员发现，同时在电极上进行介尺度传质和表面反应可以提高析氧反应动力学。

来自郑州轻工业大学和安徽农业大学的学者报道了在单分散空心Fe@MoS₂ -C亚微反应器中进行同时调制中尺度扩散和Mo-Fe-C位点的形成，以提高OER性能。通过有限元模拟和分析，空心纳米结构MoS₂-C基体比固体和蛋黄壳基体具有更好的中尺度扩散特性。值得注意的是，亚微反应器中的硫空位和插层碳为Fe在Mo-Fe-C位点的锚定提供了独特的微环境。本文通过理论计算揭示了位点的稳定性和活动性，所得催化剂Fe@MoS₂-C的OER过电位为194 mV，远优于数据中报道的铁基单原子催化剂。这种单分散亚微反应器涉及到介观扩散和单原子位的调制，在复杂的电催化反应中具有广阔的前景。相关文章以“Modulation of Mo–Fe–C Sites Over Mesoscale Diffusion-Enhanced Hollow Sub-Micro Reactors Toward Boosted Electrochemical Water Oxidation”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https:///10.1002/adfm.202202141

图 1. MoS₂-C 材料的结构信息、FEA 结果和 OER 活性。 a) 固体 MoS₂–C，b) 蛋黄壳 MoS₂–C 和 c) 空心 MoS₂–C 的 FESEM 和 TEM 图像。 d-f) 速度场、流线分布和 g-i) 不同纳米结构模型的压力场。 j) 极化曲线和 k) 固体、蛋黄壳和空心 MoS₂-C 催化剂的 Tafel 斜率。

图 2.空心Fe@MoS₂-C亚微量反应器的制备及结构表征.a）准备的示意图，b）XRD图像，c-e）FESEM图像，f）TEM图像和g）HRTEM图像。h） HAADF 图像，i） 相应的 ABF 图像，j）HAADF 图像，EDS 映射，以及 k） 夹层和边缘的 HAADF-STEM 图像。

图 3. Mo-Fe-C 位点的结构表征。 a-c) 空心 MoS₂-C 和 Fe@MoS₂-C 的高分辨率 Mo 3d、Fe 2p 和 C 1s XPS 光谱。d) Fe K-edge XANES，e) Fe K-edge EXAFS 光谱，和 f) Fe@MoS₂–C 的 Fe k³ 加权信号的小波变换结果。

图 4.单分散空心纳米结构催化剂的OER性能。a） 极化曲线和 b） 塔菲尔斜率。c） Fe@MoS₂-C和前人报告的Fe SACs的过电位比较。d）Fe@MoS₂-C催化剂在100 mA cm⁻²时的电催化稳定性.

图 5.运行情况时的拉曼光谱、催化后的结构表征和DFT计算。a） Operando Raman， b） Fe₂O₃参考的 Fe K-edge EXAFS 光谱和 Fe@MoS₂-C。c） 催化后 Fe@MoS₂-C 的小波变换图像。 d） 透射电镜图像。 e） HRTEM图像。 f） HAADF 图像和相应的 EDS 映射结果。 g） 单原子 Fe的理论稳定性。 h） MoO_x–C、 MoO_x-Fe 和 MoO_x–Fe–C 的 EDD结果。

综上所述，本文通过构建单分散空心Fe@MoS₂-C亚微反应器同时调节了电极的介尺度传质和表面反应活性位点，最终实现了高效的电化学水氧化过程。具体地说，通过胶束微乳液技术制备了一系列含硫空位和插层碳的MoS₂-C宿主。有限元分析结果表明，在中空纳米结构中，与中尺度传质相关的流速和压差得到了很大的改善。单分子碳插入MoS₂的(002)面，形成超晶格，从而增加了硫空位的数量。硫空位和空心主体中的插层碳为Fe在Mo-Fe-C位点的锚定提供了独特的微环境，最终得以生成Fe@MoS₂ -C亚微反应器。动力学计算进一步表明，双锚定位点可以改变RDS，并且优化氧中间体的吸附和解吸，从而降低水氧化反应的屏障。本文的工作有助于理解传质和催化活性之间的关系，并可能为通过单分散亚微反应器工程设计先进的电催化剂提供新的见解。（文：SSC）