Nat. Commun.：在电催化的界面作用机制研究中取得新进展

张明 2023-11-20

近日，国际综合性期刊《自然•通讯》（Nature Communications）在线发表了武汉大学化学与分子科学学院陈胜利教授团队在金属-氮-碳催化剂氧还原反应动力学pH效应界面起源方面的最新研究进展。

近日，国际综合性期刊《自然•通讯》（Nature Communications）在线发表了武汉大学化学与分子科学学院陈胜利教授团队在金属-氮-碳催化剂氧还原反应动力学pH效应界面起源方面的最新研究进展。论文题为“Revealing the role of double-layer microenvironments in pH-dependent oxygen reduction activity overmetal-nitrogen-carbon catalysts”。武汉大学为论文第一署名单位和通讯作者单位，化学与分子科学学院特聘副研究员李朋以及2022级硕士研究生矫宇州为论文第一作者，陈胜利教授以及中国科学技术大学的吴宇恩教授为论文通讯作者。武汉大学郭存兰教授作为共同作者为论文工作的完成提供了支持。

金属-氮-碳（M-N-C）催化剂是氧还原反应（ORR）铂基贵金属材料最有前途的替代品之一。近年来，人们致力于通过调节金属中心的局域配位环境、杂原子掺杂调整电子结构等策略来提高M-N-C催化剂的ORR电催化性能、稳定性和选择性。尽管材料开发取得了巨大进展，但关于M-N-C催化ORR的微观机制仍存在若干疑惑。比如，为什么当电解质pH从碱性变为酸性时M-N-C催化剂的氧还原活性会急剧下降。这不仅是当前电化学的一个基础难题，而且严重阻碍了质子交换膜燃料电池低成本M-N-C催化剂的发展。

本研究中，作者以当前热点研究的双原子催化剂FeCo-N6-C为模型体系，结合从头算分子动力学模拟和原位表面增强红外光谱技术，揭示了酸、碱条件下显著不同的界面双层结构是M-N-C催化剂上氧还原活pH依赖的重要原因。具体而言，由于酸、碱体系中氧还原反应发生的电势与电极零电荷电势之间的差异显著不同，电极表面电荷密度的差异巨大，导致界面水分子取向的不同，从而影响表面含氧中间体与界面水分子之间氢键的形成，最终控制氧还原反应过程中质子耦合电子转移步骤的动力学。本研究不仅为理解M-N-C催化剂在不同pH值下ORR活性的巨大差异提供了分子水平的解释，而且突出了界面结构在电化学能量转换与存储技术中的作用，对能源转换材料和界面设计具有重要意义。