3d金属元素基产氧电催化剂的局域原子协同机制的研究

The reaction of electrochemical water oxidation is the key point deciding the efficiency of some new energy conversion system, such as water electrolysis cell and CO2 electro-reduction cells. However, the catalytic activity of catalysts for water oxidation is not high enough for the broad industrial application. Based the successful research of electrocatalysis, electrochemical reaction mechanism and controlled design of catalysts' micro-structure, we will aim to increase the catalytic activity of low-cost 3d metal-based hydroxide and oxyhydroxide via the controlled local cluster's synergistic effect. We will execute this project via theoretical and experimental methods as follows. Firstly, the reaction pathway of the oxidation of OH- ions on the layered metal hydroxide and oxyhydroxide with MO6 structure and the rate-determining step will be clarified, and further to predict the influence of intercalated ions and hetero metal atoms on the catalysts' activity. Furthermore, we will synthesize a group of 3d metal hydroxide and oxyhydroxide with different controlled intercalated ions and hetero metal atoms. More importantly, the relationship between the electronic structure and charge distribution of the local cluster and their electrocatalytic activity of oxygen evolution will be illuminated. And finally, we will explore a series of excellent and low-cost catalyst, to boost the practical process of the new energy system based on water electrolysis and CO2 electroreduction.

电催化水氧化是决定电解水和二氧化碳电还原等新能源转换系统效率的关键半反应，但目前与之匹配的电催化剂活性及成本与工业大规模应用要求尚存在距离。本项目将以申请人在新能源电催化机理研究，以及催化剂微结构调控等方面的研究成果为基础，围绕如何通过局域原子簇配位调控的策略优化低成本3d金属氢氧化物/羟基氧化物的产氧催化活性，采用理论与实验相结合的研究方法，实现以下研究目标：阐明OH-离子在具有MO6结构的层状金属氢氧化物/羟基氧化物表面的催化反应历程和决速步骤，预测插层离子、异质金属原子对基于MO6结构催化中心的活性影响规律；可控合成一批基于不同插层离子和金属异质原子的3d金属氢氧化物/羟基氧化物材料；揭示可控局域原子簇对催化剂微观电子结构及电荷分布的影响规律，以及协同催化作用机制；基于以上研究成果的实现，开发一批高催化活性、低成本的产氧电催化材料，推进基于电解水和二氧化碳电还原新能源系统的实用化。

电解水技术和二氧化碳电还原技术是发展可再生能源和处理温室气体的重要途径，而水氧化反应是上述两种电解过程的重要半反应。基于水氧化体系的基础研究是决定高效电解产氢和电解利用二氧化碳的关键步骤，将有望进一步提高风能和太阳能向化学能的转化效率，促进其实用化进程。本项目以3d金属氢氧化物及羟基氢氧化物层状材料为平台，对MO6结构内及结构间原子协同作用对材料产氧催化活性的影响机制开展了研究，并建立了精确可靠的产氧催化理论体系。基于局域原子调控的原子水平活性位理论设计与可控制备，开发了一批高性能、低成本、极具应用前景的产氧电催化剂材料，主要包括：原子水平均相分散的多金属FeCoW催化剂，实现了当时世界最低的产氧过电位（191mV）；高价金属NiCoFeP羟基氧化物催化剂在创纪录的1.99V电池电压下电解中性溶液的电流密度可达到10 mA/cm2；利用4d金属调制3d过渡金属电子结构的FeCoMo催化剂的催化性能优于商业化的IrO2催化剂；超薄的二维结构的CoFe LDH-F催化剂在1.63V下即可驱动全分解水反应，并可稳定工作35小时以上；电化学原位还原法制备的POD-Bi催化剂在-0.61 V时将CO2还原为液体燃料的电流密度可达到200 mA/cm2。以上工作为构建高效、稳定、廉价的电催化剂提供了新的研究思路。