成果发表

宫勇吉教授团队在研究单原子层二维材料作为助催化剂，大幅度提升OER催化活性的作用机制方面取得重要进展！成果在国际顶级学术期刊《Nature Communications》上发表。

Nature出版集团旗下顶级学术期刊《Nature Communications》2023年11月刊登了署名天目山实验室的研究成果 “One-atom-thick hexagonal boron nitride co-catalyst for enhanced oxygen evolution reactions”。这一成果通过利用化学气相沉积法生长的厘米级单原子层六方氮化硼（hBN）薄膜作为助催化剂封装NiFeOxHy阳极，由于单原子层hBN表面高密度B-N键易于形成电子局域活性中心，且当其厚度降低到单原子层时，电荷可通过隧穿快速传输，显著增强催化剂的活性。本项研究利用单原子层二维材料作为助催化剂的新方法，为深入理解电极表界面原子层反应机理以及精准调控机制提供了新思路。论文的合作单位包括北京航空航天大学，厦门大学等。天目山实验室博士后研究员李泌轩为文章共同第一作者，宫勇吉教授为共同通讯作者。

电解水是将电能转化为化学燃料的一种可持续和清洁的策略，但其效率受到阳极析氧反应（OER）动力学缓慢的限制。为了提高OER性能，人们已经投入了大量的努力来开发含有特定电子结构的活性位点的电催化剂。这种的电催化剂通常具有缺陷位点或者由杂原子组成。然而，有缺陷的位点通常含有活性悬挂键，可能影响催化剂的稳定性。另一种提升催化剂活性的方法是在电极上组装助催化剂，形成多相结构，改善界面处的物质和能量传递过程。最近的一个进展是利用分子尺度的配体作为助催化剂，进一步减少电解质中电子和质子传递到电极的距离。然而，助催化剂的稳定性通常受其与电极的接触影响，并且其覆盖范围会减少电极的有效活化面积。如何设计稳定性优异、电荷传输速率快的助催化剂，对于提升催化活性具有重要研究意义。

为了解决这一科学问题，天目山实验室博士后研究员李泌轩、宫勇吉教授团队联合厦门大学曹阳教授团队报道了一种覆盖OER电催化剂的厘米大小的hBN薄膜。由于B-N键与位于N原子周围价电子的强极化作用，hBN表现出对含氧物种优异的化学亲和力，这种亲和力优化了各种含氧物种的吸附，从而提高了OER催化性能。从这个角度来看，每个B-N键可以看作是一个吸附位点（位点密度约1015 cm-2），并且所有位点都暴露在表面上。更重要的是，hBN的单原子尺度的厚度允许快速电子隧穿作为一个额外的电荷传输机制，尽管在平面内hBN是绝缘体，其不阻碍垂直于平面方向的界面电荷转移。得益于上述性质，所制备的hBN/NiFeOxHy催化剂达到2000 mA cm-2电流密度时仅需490 mV的过电位，在300 mV过电位下的质量活性约为104 A g-1；并且该电极在此电流密度下连续运行150小时，活性衰减小于10%。研究人员将增强的稳定性归因于hBN封装阻断了活性物质进入NiFeOxHy表面，并阻止了那里的任何局部蚀刻过程；hBN的封装也可以阻止NiFeOxHy中的晶格氧参与反应，进一步提升了稳定性。此外，研究人员还利用hBN封装了金属（氧)氢氧化物、金属和碳，OER活性都增长了20倍左右，表明hBN封装是提高各种电极上OER性能的通用策略。因此，hBN作为一种潜在的助催化剂来修饰电催化剂，为提高电极的OER活性提供了可能。

图1. 催化剂制备流程及相关表征

图2. 负载催化剂的电极OER反应性能测试

图3. 机理分析

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42696-3