博士一作！他，清华本博，清华深研院「国家优青」，Nature子刊！

摘要：通常，OER电催化通过由过电位驱动的金属阳离子氧化发生，例如，Ni(OH)2氧化产生高价NiOOH，OER在其上引发。在高价金属离子中增加空穴被认为是提高金属-氧共价促进氧-氧偶联以加速反应的速率控制步骤(RDS)的有效手段。另一方面，增加金属-氧共价也可能驱

通常，OER电催化通过由过电位驱动的金属阳离子氧化发生，例如，Ni(OH)2氧化产生高价NiOOH，OER在其上引发。在高价金属离子中增加空穴被认为是提高金属-氧共价促进氧-氧偶联以加速反应的速率控制步骤(RDS)的有效手段。另一方面，增加金属-氧共价也可能驱动空穴进入O-2p轨道，其产生亲电性质，促进水的亲核攻击，从而激活OER电催化。O-2p轨道上增加的空穴也可能促进晶格氧(晶格氧机制，LOM)的直接演化。

理解金属/氧氧化还原化学在OER电催化中的复杂作用是一项非常重要的任务。例如，高价NiOOH表现出相当低的OER活性。相反，当掺杂第二过渡金属如Fe或Co时，Ni的氧化大大受到抑制，而OER活性则显著提高。这一矛盾提出了金属或氧氧化还原化学是否主要控制O-O偶联，以及是否O-O偶联步骤是Ni基氢氧化物上OER的RDS的基本问题。

研究人员通过电化学Ni(OH)2/NiOOH氧化还原反应发现了阳极-阴极连续OER (ACS-OER)过程，其比传统阳极OER电催化具有更快的动力学和低过电位。实验结果和理论计算表明，与传统的四电子阳极OER过程相比，首先通过电化学氧化Ni(OH)2至NiOO−活性物种，随后NiOO−还原至Ni(OH)2以释放O2。具体而言，研究人员证明了在NiOO−活性物质的形成过程中存在一种快速的LOM主导的O-O偶联，从而使得在Ni的氢氧化物催化剂上O2的释放步骤成为OER的RDS。与传统的阳极OER工艺不同，电还原Ni(III)可以进一步提高过电位，从而激活O2的释放，而电还原Ni(II)也可以促进Ni-O键的弱化，从而促进O2的释放。

基于ACS-OER过程，研究人员提出了一种混合能量装置，它允许在充电和放电过程中分别对HER和OER进行时间解耦。通过充放电循环，实现了H2/O2的时间解耦演化，完成了整个水电解过程，过电位小于200 mV。值得注意的是，由于部分电荷输入用于水分解，充放电循环的库仑效率小于100%。此外，库仑效率在很大程度上取决于NiOO−的形成量，大量的NiOO−会导致较低的库仑效率。总的来说，该项研究不仅提供了对Ni基氢氧化物上碱性OER机制(即金属/氧氧化还原和RDS的作用)的新见解，而且还提供了一种高效的解耦水分裂和能量储存的混合能量装置。文献信息

Sequential oxygen evolution and decoupled water splitting via electrochemical redox reaction of nickel hydroxides. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-53310-5

作者简介

干林，清华大学深圳国际研究生院材料研究院长聘副教授，博士生导师，国家优青。2004年和2009年获得清华大学学士和博士学位；随后留校从事博士后研究；2011-2014年在德国柏林工业大学担任博士后；2014年加入清华大学深圳研究生院能源与环境学部；2019年入职清华大学深圳国际研究生院材料研究院。

干林副教授主要从事电子显微学与能源材料研究。重点利用和发展高时空/能量分辨的先进透射电子显微成像与谱学方法，在原子尺度上表征和调控电化学能源转换与存储中的固体表面和固液电化学界面，发展高性能、高稳定性的电化学能源材料与器件。迄今在Science、Nature Mater、Nature Commun、Adv Mater、Angew Chem Int Ed等期刊上发表论文90余篇。