北京市科學技術研究院分析測試研究所新材料領域工作在國際頂級期刊PNAS上發表電解水制氫領域工作研究成果
近日，北京市科學技術研究院分析測試研究所（北京市理化分析測試中心）（簡稱：分析測試所）在《美國科學院院報》（PNAS）發表了題為“Spatial configuration of Fe–Co dual-sites boosting catalytic intermediates coupling toward oxygen evolution reaction”的文章（https://doi.org/10.1073/pnas.2317247121）。該論文通過構建兩種不同空間構型的Fe-Co雙位點催化劑，研究雙位點催化劑中兩個金屬活性位點的空間構型促進OER（析氧反應）的催化機制。相關實驗研究證明了雙位點催化劑（DSCs）在OER中的協同效應，超過了單位點催化劑，展示出雙位點催化劑空間構型的設計在OER領域的巨大潛力。
論文圖
析氧反應（OER）是電解水產氫的主要障礙。雙位點催化劑（DSCs）因在OER中的協同效應，其催化性能通常優于單位點催化劑，然而，特定空間構型的雙位點催化劑的合成一直以來都是該領域研究的難點。本工作中，構建了兩種構型的Fe-Co雙位點催化劑，立體構型的Fe-Co位點催化劑（stereo-Fe-Co DSC）和平面構型Fe-Co位點催化劑（planar-Fe-Co DSC），且平面Fe-Co DSC具有優異的OER性能，優于立體Fe-Co DSC。研究表明：在決速步驟中，適當的Fe-Co間距和空間方向有利于雙位點將中間體脫氫成*O-O*，*O中間體可以直接耦合形成*O-O*而不是*OOH，這可以克服OER中四個電子轉移步驟的局限性。
合成過程的示意圖和表征
stereo-Fe-Co DSC和planar-Fe-Co DSC的XANES和XPS譜圖
XRD表征證實了合成的CoOOH基底為γ型，并且通過SEM、TEM、ICP、EDX等數據結果觀測該催化劑的形貌、暴露晶面以及元素分布，證實了上述催化劑的成功制備，最后通過EELS-maping來證明Fe單原子的成功負載。Fe的XANES光譜結果顯示負載的Fe是以單原子的形式存在，經過擬合分析之后，planar-Fe-Co DSC催化劑中Fe與Co處于同平面形式存在，而stereo-Fe-Co DSC催化劑中Fe處于高于Co的形式存在。催化性能測試表明，planar-Fe-Co DSC比stereo-Fe-Co DSC具有更高的本征活性，更快的電子轉移速率以及更低電荷轉移電阻。這表明平面構型的Fe-Co雙位點可以誘導和優化Co原子的電子結構，從而增強了催化性能。
CoOOH、stereo-Fe-Co DSC和planar-Fe-Co DSC催化劑的 LSV曲線
該成果由分析測試所先進材料創制及原位表征研究團隊與首都師范大學化學系田洋教授團隊聯合完成。其中，第一作者張太嚴為分析測試研究所與首師大聯合培養碩士研究生，第一作者江靜靜副研究員為先進材料創制及原位表征研究團隊核心骨干，分析測試所劉向文研究員與首師大田洋教授為通訊作者。該研究成果獲得了國家自然科學基金、北京市自然科學基金、北科青年學者等項目的資助，北科院和首師大在研究過程中提供了大力支持和幫助。
分析測試所先進材料創制及原位表征研究團隊以新材料的精準調控合成與制備為核心，依托先進的原位表征分析技術，面向能源催化、生物醫藥、分析分離材料等領域開展基礎研究以及需求導向的應用研究。團隊負責人劉向文研究員歸國加入分析測試研究所后，以通訊作者身份在國際知名期刊PNAS、Nano Letters（2篇）、Materials Today、Nano Research（2篇）等發表多篇高水平研究論文，擔任Nano Research期刊的青年編委，并與國內外多所院校、研究機構、企業建立了長期的合作關系。目前，原位電鏡實驗室將正式投入運行，團隊圍繞快檢以及分析分離材料正在積極推動成果轉化。
（材料化學部 劉向文/文）
