水氧化是光合作用的一个重要步骤，引起了广泛的研究关注。了解电催化剂/水界面的反应途径对于水氧化催化剂的开发具有重要意义。电催化剂表面的水如何被正电荷氧化仍是一个未解之谜。

有鉴于此，美国波士顿学院王敦伟教授和苏州科技大学Xiaogang Yang等人，综述了水氧化过程中表面化学的研究进展，包括中间体、反应机理及其对反应动力学的影响。对几种电催化剂进行了Tafel分析，并给出了与电荷消耗速率有关的速率规律。此外，概述了多重电荷转移如何依赖于中间覆盖范围和累积的电荷数。最后，根据密度泛函理论，讨论了几种水氧化催化剂的中间体和速率决定步骤。

本文要点

1）近年来多相水氧化催化剂的发展突出了表面化学与实现高性能应用的最终目标之间的密切关系。实验结果和理论计算都证实了一些中间体对水氧化反应的RDS和动力学有显著影响。

2）建议采用以下策略来加速该领域的研究。 (1) 原位和操作技术：只有一两个中间体被观察到与施加的偏压或光子辐射相关，这被认为是活性中间体或 RDS 中间体。应通过原位或操作技术监测电催化剂表面的中间体。 (2) 理论计算：DFT、分子动力学、机器学习等方法已被开发用于识别中间体和过渡态，有助于预测具有众多反应活性位点、中间体和过渡态的复杂表面反应。(3) 在（光）电极上实现高电荷密度：对于半导体材料，电荷密度和电位降会更复杂，因为它们由掺杂水平、空间电荷电容和亥姆霍兹层电容决定。 (4) 具有理想能垒的催化剂：一个理想的催化剂需要四个步骤都能增加相同的自由能(即在U = 0 V时增加1.23 eV)，在这种情况下，电催化剂表面将被所有可能的中间体均匀覆盖。(5) 独特的化学环境和坐标：可以进一步调节催化位点的环境，这是一个耗时的过程。

参考文献：

Yang, X., Wang, Y., Li, C.M. et al. Mechanisms of water oxidation on heterogeneous catalyst surfaces. Nano Res. (2021).

DOI: 10.1007/s12274-021-3607-5

https://doi.org/10.1007/s12274-021-3607-5