上方豌豆射手添加Co3O4，发射少量豌豆（代表氧气）；下方豌豆射手添加Co2MnO4，可长时间、稳固、快速地发射豌豆，代表高效稳固地催化电解水反应
克日，中国科学院大连化学物理研究所理论催化立异特区研究组研究员肖建平团队与日本理化学研究所教授中村龙平团队，在电解水质料设计研究中取得新希望，制备了尖晶石构型的Co2MnO4质料，实现了超高效安培级电流密度电解水活性，并实现酸性情形中超长的电解稳固性。
制备高活性且在酸性情形中具备超长的电解稳固性非贵金属电解水（oxygen evolution reaction，OER）催化剂是清洁能源使用领域中的研发重点。本研究中，中村龙平团队在金属氧化物Co3O4中掺入Mn元素，制备出尖晶石构型的Co2MnO4质料，实现了高效且在酸性情形中高稳固性的电解水历程；肖建平团队运用“反应相图+微观动力学模拟”的研究要领，首次建设了OER历程的变态截顶活性火山型曲线，证实晰该质料在种种构型情形下皆可体现高效电解水活性。同时，肖建平团队提出“双通道消融模子”，进一步诠释了其在酸性情形中体现超长的电解稳固性的主要缘故原由。
肖建平团队基于第一性原理密度泛函理论盘算，从分子/原子的角度探讨了OER催化历程，其中，建设催化活性趋势来剖析差别质料或特定质料的差别构型（外貌、活性位点等）的催化活性是理论研究的最新范式。理论催化活性趋势的建设往往基于外貌主要中心物种之间的相互线性关联，由此可以将催化活性通过形貌符的方法表达，从而建设活性趋势。
本事情中，在针对尖晶石金属氧化物外貌的OER历程建设的二维“反应相图”中，肖建平团队发明了其活性趋势泛起出变态截顶的活性火山型曲线，即随着中心物质吸附强度的改变，质料活性坚持稳固�；谑笛橹蟹⒚鞯腃o2MnO4质料的种种局域构型（包括Co/Mn的流失、缺陷、富集等），肖建平团队进一步发明其所有构型皆处于变态截顶的活性火山型曲线的极点平台上。这展现了该质料能够体现超高电催化活性的缘故原由，诠释了其在部分外貌消融重构的历程中仍能维持高电催化活性的基础缘故原由。差别质料体现的理论活性与实验的拟合也进一步证实晰该看法。别的，在理论活性研究中，肖建平团队通过电荷外插值法，盘算了OER历程中每个电化学历程在差别事情电压下的反应能垒，通过微观动力学模拟获得理论速率，发明其与实验效果拟合，证实了理论盘算效果可靠性。
a、中心物种吸附能的scaling关系，b、OER活性截顶火山型曲线，c、理论活性与实验的比照，d、电荷外插值法盘算电化学历程能垒，e、差别电压下的反应能线图，f、微观动力学模拟验证差别电压下理论活性的准确性
另外，肖建平团队通过建设双通道消融模子进一步探讨质料在特定电催化情形下的稳固性，即同时研究金属位点和晶格氧在特定事情电压下的消融且思量其先后顺序。研究批注，Co2MnO4质料的消融历程包括金属（Co/Mn）的消融，H2O的去质子化并团结晶格O形成OOH*，以及氧空位的形成。该历程整体是热力学放热历程，而晶格氧消融的基元历程体现出较大的热力学势垒，是该历程的速控办法。因此，晶格氧的消融被用作理论稳固性形貌符，用于探索质料的稳固性，其与实验效果的拟合证实晰该研究的可靠性。别的，科研团队对bader电荷剖析发明，在掺入Mn后，Mn-O中保存更多的电荷转移，体现出更强的Mn-O键能，证实晰晶格O稳固性的提升。该效果在以后的理论催化剂设计中，可以展望活性趋势，并可准确掌握催化稳固性。
相关研究效果以Enhancing the Stability of Cobalt Spinel Oxide towards Sustainable Oxygen Evolution in Acid为题，揭晓在《自然-催化》（Nature Catalysis）上。研究事情获得国家重点研发妄想、中科院清洁能源立异研究院相助基金、国家自然基金、中科院战略性先导科技专项（B类）“功效纳米系统的精准修建原理与丈量”等的支持。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-021-00732-9