尖晶石氧化物催化析氧反应(OER)具有高的效率和高的成本效益,引起了人们广泛的研究兴趣,但对它们的结构-性质关系的基本了解仍然具有挑战。近日,新加坡南洋理工大学Zhichuan J. Xu等通过计算和实验研究发现,尖晶石氧化物的OER活性本质上是由四面体和八面体位点之间的共价竞争所决定的。
本文要点:
1)研究发现,四面体和八面体位点之间的共价竞争制造了一个不对称的MT-O-MO主链,其中具有较弱的金属-氧共价键的键决定了阳离子位点的暴露,并因此决定了活性。
2)在这一发现的驱动下,作者通过理论计算计算了300多种尖晶石氧化物的数据集,并将其用于机器学习模型,以筛选尖晶石氧化物的共价竞争,平均绝对误差为0.05 eV。
3)作者预测[Mn]T[Al0.5Mn1.5]OO4是高活性的OER催化剂,随后的实验结果也证实了其优异的活性:该催化剂在25 μA cmox-2时,过电势仅240mV(相对于RHE)。
该工作提供了对尖晶石氧化物电催化OER的全面理解,提出了尖晶石氧化物用于水氧化的机理原理,并且该原理可以扩展到其它应用。
Yuanmiao Sun, et al. Covalency competition dominates the water oxidation structure–activity relationship on spinel oxides. Nat. Catal., 2020
DOI: 10.1038/s41929-020-0465-6