摘要：2024年12月30日，西北工业大学张秋禹教授团队在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Identifying and tuning coordinated water molecules for efficient electro

2024年12月30日，西北工业大学张秋禹教授团队在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Identifying and tuning coordinated water molecules for efficient electrocatalytic water oxidation》的研究论文，张庚博士为论文第一作者，张秋禹教授和郭威副教授为论文共同通讯作者。

张秋禹，国家级领军人才，西北工业大学教授，博士生导师，现任西北工业大学化学与化工学院院长，特种功能与智能高分子材料工业和信息化部重点实验室主任，西安市功能有机多孔材料重点实验室主任。1987年在北京化工学院获学士学位，1990年在中国科学院北京化学研究所获硕士学位，1999在西北工业大学获博士学位。

张秋禹教授的主要研究方向是多孔聚合物及复合材料构筑与应用，功能智能高分子材料，微纳表界面控制与应用等。

郭威，西北工业大学副教授，博士生导师。2015年在中国矿业大学获学士学位，2021年在大连理工大学获博士学位，师从邱介山教授和于畅教授，2019-2020年在美国劳伦斯伯克利国家实验室郭晶华研究员课题组访学，随后加入西北工业大学张秋禹教授团队。

郭威副教授的研究方向为电化学储能技术（水系电池、超级电容器、微型与可穿戴储能器件等）、高强韧与可修复型仿生高分子复合材料的设计开发、电化学化技术（水裂解等）及其反应机理。

在此，作者通过改进羧酸根阴离子和多共轭苯并咪唑配体的协同作用，定制了一系列具有三维（3D）超分子/配位结构的明确且稳定的配位化合物。

配位水作为潜在的开放配位位点可以直接成为中间体，而金属中心很容易与孔隙中的水分子实现重新配位以抵抗晶格氧溶解。

原位实验和理论模拟表明，镍中心与相邻的配位水分子遵循具有低热力学能垒的分子内氧耦合机制。随着更多配位水的引入，可能会出现有利于反应动力学的分子内氧偶联过程。其在电流密度为10 mA cm-2下具有248 mV的低过电位，且能够稳定工作超过200小时。

这项研究阐明了配位水分子在电催化水氧化过程中的潜在作用和机理。

图1：Ni-tPBA0~3的设计与合成示意图

图2：Ni-tPBA3的晶体结构

图3：电催化OER性能

图4：电催化OER机理分析

图5：反应自由能的实验验证和理论研究

综上，作者在桥接中性氮杂环配体和不同芳香族羧酸的配位作用下，合成了一系列结构明确且稳定的配位化合物电催化剂Ni-tPBA0~3。

SCXRD结果表明，Ni-tPBA0~2具有3D配位超分子结构，而Ni-tPBA3具有较强的sra拓扑3D配位聚合框架。设计的配位化合物包含多种具有不同配位环境的镍中心，通过空间效应拥有1到4个潜在的OCSs。

由于多配位水分子之间的潜在协同作用，Ni-tPBA3与碳的复合材料在300 mV过电位下表现出高TOF值（0.0351 s-1），并稳定运行200小时。

这项研究提供了金属有机结构的设计理念，并强调了配位调控在高效电催化方面的潜力。

展望未来，在广泛应用之前设计潜在的配位化合物OCS仍然有很多机会。一方面，配体的螯合特性有助于提高结构的稳定性，但会消耗一些可用的活性位点，这需要更多的尝试和调控。中心金属和水配体之间的相互作用也需要调整，以确保最佳的配位竞争和产物的分离。

此外，需要精确定位多金属中心以提高水配位化合物的OER性能。可以应用不同的小分子来代替水分子作为潜在的OCS来调节结构组装以及金属中心和中间体之间的相互作用。

Zhang, G., Guo, W., Zheng, H. et al. Identifying and tuning coordinated water molecules for efficient electrocatalytic water oxidation. Nat. Commun., (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55120

来源：华算科技