電解水制氫是被認(rèn)為是生產(chǎn)低碳清潔能源的有效手段。在眾多電解槽中，質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽由于其電流密度高、歐姆電阻小、集成度高、氣體純度高等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛研究。然而，在PEM電解槽的酸性環(huán)境中，氧析出（OER）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，催化劑易被腐蝕，嚴(yán)重制約著其能量效率和使用壽命。因此，開(kāi)發(fā)廉價(jià)、高效、穩(wěn)定的酸性O(shè)ER催化劑對(duì)于PEM電解水技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。
針對(duì)上述問(wèn)題，大連化學(xué)物理研究所李杲團(tuán)隊(duì)合成了立方MnCoOx固溶體作為酸性O(shè)ER催化劑，取得了優(yōu)異的活性和穩(wěn)定性。如圖1a所示MnCoOx固溶體在10 mA cm-2和100 mA-2的電流下分別對(duì)應(yīng)275 mV和569 mV的過(guò)電勢(shì)，其活性超越了貴金屬IrO2。同時(shí)，該催化劑可在100 mA-2的電流下運(yùn)行300小時(shí)且過(guò)電勢(shì)無(wú)明顯上升（圖1b）, 其穩(wěn)定性在目前的文獻(xiàn)報(bào)道中處于前列水平。
圖1. （a）Mn1Co5Ox固溶體、Co3O4、IrO2的酸性O(shè)ER過(guò)電勢(shì)。（b）Mn1Co5Ox固溶體的酸性O(shè)ER穩(wěn)定性測(cè)試。
隨后，作者使用美國(guó)easyXAFS公司的臺(tái)式X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀系統(tǒng)easyXAFS300對(duì)MnCoOx固溶體催化劑的電子結(jié)構(gòu)和局部配位進(jìn)行了分析。圖2a展示了Co-K邊的X-射線吸收近邊結(jié)構(gòu) (XANES) 光譜，其中，Mn1Co5Ox 的峰值強(qiáng)度與Co3O4 相近，與 Co單質(zhì)不同。同時(shí)，Mn1Co5Ox的邊前峰與Co3O4重合，證明 Co2+ 和 Co3+ 作為 Mn1Co5Ox 中 Co 物種的主要價(jià)態(tài)共存。如圖2b所示，Mn-K邊的 XANES 光譜顯示，Mn1Co5Ox 的白線峰值強(qiáng)度明顯高于參比物 Mn3O4 和 Mn2O3。 此外，與 Mn2O3 相比，Mn1Co5Ox 的邊前鋒對(duì)應(yīng)更高的能量，表明 Mn1Co5Ox 中 Mn 物種的平均價(jià)態(tài)應(yīng)高于 +3，Mn 位點(diǎn)附近屬于缺電子狀態(tài)。 為了進(jìn)一步研究Mn1Co5Ox 催化劑的配位環(huán)境，作者對(duì)Co和Mn K邊進(jìn)行了擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）分析。如圖2c和2d所示，與 CoOOH 對(duì)照組相比，Mn1Co5Ox 的 Co-O 鍵距從 1.81 ? 擴(kuò)大到 1.83 ?。 相反，與Co3O4 相比，Mn1Co5Ox 的 Co-O 鍵距從 1.91 ? 縮短至 1.83 ?。此外，相對(duì)于 Mn2O3，Mn1Co5Ox 的 Mn-O 鍵距從 1.80 ? 縮短至 1.67 ?，這可能是由于 Mn 的價(jià)態(tài)高于+3。 總的來(lái)說(shuō)，Mn1Co5Ox 中的Co-O鍵具有與Co3O4相似的電子密度，其Co-O鍵長(zhǎng)度略大于CoOOH且小于Co3O4。 Mn1Co5Ox 中電子密度較低的Mn-O鍵比Mn2O3小，有利于形成金屬-O鍵長(zhǎng)近似均勻的固溶體結(jié)構(gòu)，加速了Mn和Co原子之間的電子轉(zhuǎn)移，促進(jìn)了催化劑的催化活性。
圖2. （a）Co 和 (b) Mn的K-邊XANES譜圖。（c）Co和（d）Mn的K-邊EXAFS譜圖的傅里葉變換。
此外，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算研究了Mn1Co5Ox 固溶體的高性能機(jī)理，結(jié)果證明，Co3+, Mn4+陽(yáng)離子以及O空位對(duì)促進(jìn)OER反應(yīng)至關(guān)重要；同時(shí)，Mn摻雜可抑制陽(yáng)離子在酸性電解液中的溶出，從而提升催化劑的穩(wěn)定性。該項(xiàng)工作為過(guò)渡金屬酸性O(shè)ER催化劑的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了指導(dǎo)，以“Intrinsically Robust Cubic MnCoOx Solid Solution: Achieving High Activity for Sustainable Acidic Water Oxidation"為題發(fā)表于國(guó)際期刊Journal of Materials Chemistry A。
本文所使用的美國(guó)easyXAFS公司研發(fā)的臺(tái)式X射線吸收譜儀系統(tǒng)easyXAFS300 如圖3所示。該裝置得益于特殊的單色器設(shè)計(jì)，無(wú)需同步輻射光源，可以在在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中實(shí)現(xiàn)X射線吸精細(xì)結(jié)構(gòu)譜XAFS測(cè)試，獲得媲美同步輻射光源的優(yōu)質(zhì)譜圖，用于分析材料的元素價(jià)態(tài)、化學(xué)鍵、配位結(jié)構(gòu)等全面信息。該臺(tái)式設(shè)備幫助廣大科研人員擺脫對(duì)同步輻射X射線光源的依賴，極大地提高了XAFS表征技術(shù)在能源、催化、環(huán)境等各領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用。該設(shè)備已幫助國(guó)內(nèi)外用戶取得大量?jī)?yōu)秀的科研成果，發(fā)表于J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Nat. Commun.等期刊。
圖3. 美國(guó)臺(tái)式X射線吸收譜儀系統(tǒng)easyXAFS300
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