摘要：碱金属阳离子（AM+）具有高溶解度和离子电导率，使其成为水性电解质中的最佳成分。尽管传统观点认为AM+是化学惰性的，但电催化对AM+的强烈依赖性引发了关于其意外催化作用的争论，仍然缺乏确凿的证据。
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碱金属阳离子（AM+）具有高溶解度和离子电导率，使其成为水性电解质中的最佳成分。尽管传统观点认为AM+是化学惰性的，但电催化对AM+的强烈依赖性引发了关于其意外催化作用的争论，仍然缺乏确凿的证据。
2024年12月20日，韩国浦项科技大学Chang Hyuck Choi副教授、韩国科学技术院（KAIST）Hyungjun Kim教授、韩国科学技术研究院（KIST）Hyung-Suk Oh在国际顶级期刊Nature Catalysis发表题为《Alkali metal cations act as homogeneous cocatalysts for the oxygen reduction reaction in aqueous electrolytes》的研究论文，Sang Gu Ji、Minho M. Kim、Man Ho Han为论文共同第一作者，Chang Hyuck Choi副教授、Hyungjun Kim教授、Hyung-Suk Oh为论文共同通讯作者。
Chang Hyuck Choi，浦项科技大学副教授。2007年、2012年在韩国科学技术院（KAIST）获得学士和博士学位，并留校从事博士后研究；2014-2016年在马克斯·普朗克铁研究所继续接受博士后训练；2016年加入GIST；2022年加入浦项科技大学。
Chang Hyuck Choi副教授课题组的研究领域是1.对电催化的基本理解；2.新型电催化材料的发展；3.燃料电池和电解槽；4.有用产物的电化学合成；5.新分析技术的开发。
Hyungjun Kim，韩国科学技术院（KAIST）教授。2004年获得KAIST学士学位，2009年获得加州理工学院博士学位。2009年以高级研究员加入KAIST，2023年晋升为教授。
Hyungjun Kim教授的研究兴趣为理论与计算化学、多尺度材料模拟、计算电化学、能源材料和多相催化剂设计。
Hyung-Suk Oh，韩国科学技术研究院（KIST）首席研究科学家。2006年、2008年、2012年在延世大学获得学士、硕士和博士学位，2012-2017年在柏林工业大学从事博士后研究，导师：Peter Strasser 教授，2017年加入KIST，2021年晋升为首席研究科学家。
在这里，作者证明AM+可以与反应中间体偶联，并确定在水性条件下作为均相助催化剂的动力学，用于碳催化剂上的碱性氧还原反应。原位X射线吸收光谱揭示了带电电极上Na+的电子结构从水合状态发生的变化。
原位拉曼光谱进一步确定，这种变化是由于水不稳定的NaO2的形成而导致，NaO2是OOH−生产中的关键中间体。
结合理论计算，这一发现阐明了AM+在水环境中违反直觉的助催化作用，强调了改进界面设计原理以实现更好的电催化的迫切性。
图1：不同电解液中KB的氧还原反应（ORR）极化曲线
图2：动力学同位素效应（KIE）研究和提出的ORR机制
图3：基于Marcus理论的阳离子耦合电子转移（ET）到O2的模型
图4：原位NEXAFS和拉曼光谱学研究
综上，这篇论文研究了碱金属阳离子（AM+）在水溶液电解质中作为均相共催化剂在碱性氧还原反应（ORR）中的作用，发现AM+能够与反应中间体耦合并决定反应动力学。结果表明，AM+并非化学上惰性，而是通过与反应中间体形成复合物积极参与调节反应动力学，这一发现对于设计更高效的电催化剂界面具有重要意义。
该研究不仅挑战了传统上认为AM+在水溶液中化学惰性的观点，而且为电催化界面设计的改进提供了新的思路，特别是在开发高性能的氧还原反应催化剂和金属-空气电池等领域具有广泛的应用前景。
Ji, S.G., Kim, M.M., Han, M.H. et al. Alkali metal cations act as homogeneous cocatalysts for the oxygen reduction reaction in aqueous electrolytes. Nat. Catal., (2024). https://doi.org/10.1038/s41929-024-01241-1.
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