电化学水分解制氢是一种很有前途的可再生能源转化和储存途径。高效水分解最重要的问题之一是开发经济高效的电催化剂来驱动阳极侧缓慢的析氧反应(OER)。值得注意的是，近年来，金属或金属非氧化物化合物的表面氧化以及某些金属氧化物在OER过程中的表面非晶化等结构转变引起了人们越来越多的关注。OER中结构转变的研究将有助于深入理解准确的催化机理，最终有利于合理设计高活性的催化材料。
鉴于此，中科大吴长征教授综述了在OER电催化过程中具有明显结构转变的非均相材料。
文章要点
1）非均相催化是一种特殊的表面现象，催化剂的表面性质在很大程度上决定了其催化选择性和催化效率。通常，OER催化的经典理论模型依赖于非均相材料的周期性和明确的表面结构。然而，大量的研究揭示了催化过程中表面结构的复杂动态行为，这给深入理解OER催化机理带来了巨大的挑战。因此，弄清材料在OER过程中是否真正稳定至关重要。根据在OER电催化中的结构转变的发现时间线，作者总结了一些具有代表性的OER材料。着重总结了过渡金属和过渡金属非氧化物化合物的表面氧化，以及过渡金属氧化物（特别是钙钛矿和尖晶石氧化物）的表面非晶化。
2）先进的表面表征技术的快速发展为在分子水平上研究催化机理提供了机会。材料表面存在OH−和H2O等吸附物，增强了表面自由能的各向异性，为表面转化提供了额外的驱动力。另一方面，过渡金属在较高的电催化电位和pH下的平衡状态会偏离其开路状态，导致结构的自发转变（特别是在表面区域），以适应恶劣的操作环境。在这一部分中，作者综述了影响表面转化的驱动力和关键因素的研究。包括对不同材料的理论和实验结果，如评估材料在OER条件下的热力学不稳定性，揭示催化条件与结构转变程度之间的关系。
3）OER催化材料的原位结构转变表明，在催化条件下制备的材料与实际活性物种不一致，这超出了传统的催化剂观点。在这方面，一些研究人员建议，用于OER的材料应该被视为前催化剂，而识别真正的活性结构至关重要。因此，通过跟踪前催化剂的表面转变过程，不仅对于揭示电催化过程中材料的稳定性至关重要，而且对于理解OER的机理也至关重要。作者总结了能够揭示催化环境下动态结构演化过程的表征技术（常压X射线光电子能谱，原位拉曼光谱，原位X射线吸收光谱，原位电化学原子力显微镜和原位透射电子显微镜）。
4）为了准确理解OER的催化机理，实现催化材料的合理设计，必须建立可靠的结构−性能关系。面临的主要挑战是弄清催化剂运行过程中真实活性物种的原子/电子结构。此外，确定决定催化反应热力学和动力学过程的关键因素对获得优异的催化活性具有指导意义。除了电催化活性外，催化层的耐久性对于实际的工业设备也至关重要。作者总结了在基础OER电催化和实际器件中揭示结构和性能之间关系的研究进展。
5）作者最后展望了非均相OER电催化仍面临的挑战和未来发展前景。
参考文献
Hui Ding, et al, Structural Transformation of Heterogeneous Materials for Electrocatalytic Oxygen Evolution Reaction, Chem. Rev., 2021
DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00234
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00234
