【计算+实验】Nature子刊：非共价配体-氧化物相互作用促进Co3+转化为Co4+以实现高效催化OER

慕瑾计算材料学 2023-04-24

析氧反应(OER)能够为电化学H₂O、CO₂和N₂还原反应提供电子源，是一种重要的电化学反应。目前的工作致力于寻找低成本、高活性和稳定的OER催化剂，并揭示了它们的反应中心。有报道已经证明，在施加偏压条件下形成高价的金属中心，如Co IV，Fe IV和Ni IV是产生氧气的先决条件。

事实上，极化活化的3d过渡金属氧化物和含有大量高价金属中心的(氧)氢氧化物是最活跃的OER电催化剂。虽然高价金属中心的关键作用已经被揭示，但是设计和构建能够在OER条件下容易地产生高价金属中心的催化剂仍然是一个挑战。

近日，电子科技大学崔春华和普渡大学曾振华等发现非共价配体金属氧化物的相互作用有利于形成丰富的Co⁴⁺位点，以提高OER的性能。

与化合物中的强键相互作用相反，非共价相互作用在金属位点和螯合配体之间具有相对较弱但是关键的相互作用。原位和非原位测量结合密度泛函理论(DFT)计算表明，非共价相互作用使得Co³⁺很容易转变到Co⁴⁺。

此外，溶液中可溶性共价Co(phen)₂(OH)₂与电极上非共价配体修饰的CoO_xH_y(标记为高Co⁴⁺含量的Co-PH)之间形成价依赖性配位“开关”，这表明活性的Co⁴⁺位点与Co(phen)₂(OH)₂络合物在电解质中可以再生。

因此，在Co-PH催化剂上，在10 mA cm⁻²电流密度下的过电位低至216 mV，并且能够连续运行超过1600小时。

基于密度泛函理论(DFT)计算，证明了CoO₂/phen混合物的性能优于大体积CoO₂，这归因于费米能级附近态密度的增加和元件之间的电子电荷转移。

非共价相互作用导致富Co⁴⁺结构中产生极化子，这有利于表面OH*物种的去质子化，随后形成O桥联的Co-Co部分。

此外，电荷密度差和磁矩显示了CoO_xH_y和phen如何与phen诱导的极化子协同工作，使热力学过电位从0.75降低到0.4 V。

这项工作突出了非均相催化剂和螯合配体之间的非共价相互作用在优化电催化活性和耐久性方面的重要性，为调节多相催化剂的催化性能提供了一种有效的策略。

Non-Covalent Ligand-Oxide Interaction Promotes Oxygen Evolution. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-36718-3

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