催化材料在电化学反应过程中不可避免地会发生重构现象，因此研究催化剂重构行为有助于理解反应中真正的催化活性位点和能源转化机制。近期，中国科学技术大学同步辐射实验室宋礼教授团队，通过理性设计和精准构筑获得了多种新型电催化剂，依托同步辐射谱学手段深入地解析了在电化学反应过程中催化剂发生的重构现象，并揭示了电催化的本征活性位点。相关结果发表于国际著名期刊Advanced Materials (2018, DOI: 10.1002/adma.201707522)和ACS Energy Letters (2018,DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00342)。
示意图1：原子分布的铱增强氢氧化钴电催化析氧性能的同步辐射研究
他们通过在含有钴离子和铱离子的溶液中，利用简易的还原策略设计合成了一种适用于中性环境中的二维超薄氢氧化钴高效电催化剂。原子分辨电镜表征结果表明，金属铱是以单原子和团簇的形式存在于该催化剂中。同步辐射的X射线吸收谱揭示出该催化剂具有丰富的缺陷结构，并在析氧过程中会发生不可逆的氧化从而导致材料结构重构，转变为真正具有高催化活性的羟基氧化钴和氧化铱。由于高活性物种及缺陷结构之间相互协同作用，使得该催化剂在中性和碱性环境中均表现出超越商业二氧化铱的电催化析氧性能，具有广阔的应用前景。相关结果发表在Advanced Materials (2018, DOI: 10.1002/adma.201707522)，论文第一作者为国家同步辐射实验室博士生张友魁和武传强。
示意图2：电化学重构诱导高缺陷铁基羟基氧化物催化剂的同步辐射研究
随后，他们通过以铁基普鲁士蓝为前驱物，利用简易的高温磷化处理，设计构筑了一种多孔的铁基高效电催化剂。该多空的催化剂由金属铁基磷化物FeP4颗粒组成。X射线衍射和电镜分析证明了电化学反应后材料的主要物相是铁基羟基氧化物FeOOH。同步辐射X射线吸收谱表征结果表明，这种反应过程中形成的低配位催化剂具有丰富的配位不饱和结构，在电催化析氧过程中充当了高效的催化活性位点，从而使得该催化材料在碱性环境中展现出优于商业二氧化铱的性能。这项工作不仅拓宽了对于析氧电催化剂重构现象的理解，也提供了设计合成高效能源催化剂的新思路。相关结果发表在ACS Energy Letters (2018,DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00342)，并被评为 The most read articles，论文第一作者为国家同步辐射实验室博士生何群和谢晖。
以上研究工作得到了科技部重点研发计划和青年973、国家自然科学基金、合肥大科学中心、纳米科学卓越中心、南开大学先进能源材料化学教育部重点实验室、浙江师范大学先进催化材料教育部重点实验室和浙江省固体表面反应化学重点实验室等项目和机构的资助。
