【原】中南大学赖延清&田忠良&周言根等人Angew.：阳离子缺陷与局部富碱环境协同实现水氧化！

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研究内容

电催化析氧反应（OER）在各种电化学能量转换技术中发挥着关键作用，如通过水电解生产氢气、金属/空气电池和通过电催化CO₂还原合成燃料。到目前为止，已经开发了许多OER催化剂，包括贵金属氧化物（RuO₂和IrO₂）、钙钛矿氧化物、尖晶石氧化物和层状氢（氧）氧化物等。然而，非贵金属基OER电催化剂的活性和稳定性较差，严重限制了其在各种电化学能量转换系统中的实际应用。

中南大学赖延清教授、田忠良教授、周言根教授和德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授提出了一种通用策略来防止局部酸性微环境的形成，并增强OER催化剂的内在活性，这会产生与局部碱性富集环境耦合的高密度阳离子缺陷作为OER催化位点。结果显示，先进的高度无序NiFe-LDH（d-NiFe-LDH）在10 mA cm^-2的电流密度下可提供170 mV的超低过电位和出色的长期耐用性（超过900小时），使其成为迄今为止OER催化剂性能最好的NiFe-LDH。相关工作以“High-Density Cationic Defects Coupling with Local Alkaline Enriched Environment for Efficient and Stable Water Oxidation”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1. 作者以LDH材料，特别是NiFe-LDH为模型，证明了剧烈的非平衡沉淀是一种简单、通用和可扩展的方法，可以构建独特的高度无序的晶体结构。非常规晶体结构包含高密度阳离子缺陷，再加上局部富含碱性的环境，使得OH^-离子能够超快扩散，从而避免了OER过程中局部酸性环境的形成和活性位点的溶解。

要点2. 结果显示，先进的高度无序NiFe-LDH（d-NiFe-LDH）在10 mA cm^-2的电流密度下可提供170 mV的超低过电位和出色的长期耐用性（超过900小时），使其成为迄今为止OER催化剂性能最好的NiFe-LDH。d-NiFe-LDH的单层结构和高密度活性位点周围的局部碱性富集环境使得OH^-离子能够超快地扩散用于OER。

要点3. 综合实验和理论研究表明，除了局部富碱环境的影响外，高密度阳离子缺陷，特别是二阳离子和多阳离子缺陷，是高活性和持久的催化位点。

该工作展示了一种很有前途的晶体结构工程策略，即在碱性溶液中构建用于高性能析氧的坚固活性位点。

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研究图文

图1. 非平衡沉淀的普遍性。

图2. OER性能。

图3. OER的机理分析。

图4. 基于DFT仿真的OER机理分析。

图5. 反应机制。

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文献详情

High-Density Cationic Defects Coupling with Local Alkaline Enriched Environment for Efficient and Stable Water Oxidation

Zheng Li, Yangen Zhou,* Minghao Xie, Hao Cheng, Tao Wang, Jian Chen, Yao Lu, Zhongliang Tian,* Yanqing Lai,* Guihua Yu*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI:10.1002/anie.202217815