ACS Nano: Rh单原子调控Cu2O表面电子态促进氧生成催化反应

电化学分解水是利用太阳能、风能等可再生能源来获得氢燃料的有效途径。电化学分解水反应包括氧生成反应(OER)和氢生成反应(HER)，氧生成反应是个缓慢的4电子过程，因此需要催化剂来加速，但目前有效稳定的氧生成反应催化剂的获得还是个挑战。基于过渡金属如Ni, Co, Mn, Fe的材料是很有希望的候选催化剂，过去人们已经发展了一些方法来提高它们的催化活性，如氧空位、应变调控、复合结构等，这些策略虽然取得了一些成功，但还需发展更多有效的调控手段。过渡金属基材料的催化活性与它们的外层d轨道电子构型有关，因此通过引入外层d轨道电子构型不同的金属元素，将有可能提高催化活性。基于这一想法，陆亚林团队与韩国蔚山科技大学 (UNIST)的李峰博士、Jong-Beom Baek教授等合作，采用一种简单的离子置换方法，在Cu₂O纳米方块表面引入Rh单原子，由于Cu具有3d¹⁰电子结构，而Rh具有4d⁸电子结构，因而Rh的引入调制了Cu的外层d轨道电子结构，从而显著提高了Cu₂O的催化活性，Cu₂O-RhSA的性能甚至超过了商业化的贵金属氧生成催化剂IrO₂。第一性原理计算证实了Rh的引入会改变Cu₂O中Cu-O相互作用以及电子密度分布，优化了Cu原子对反应基团的吸附，从而提高了催化活性。文章以“Surface Electronic Modulation with Hetero-Single Atoms to Enhance Oxygen Evolution Catalysis”为题于2021.06.29发表在ACS Nano上，傅正平副教授为论文的共同通讯作者。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c02989

图1. 制备过程及反应过程示意图

图2：Cu₂O-RhSA的电催化性能及与Cu₂O和IrO₂的比较(左)；右图：Rh单原子掺杂对Cu₂O电子态的调制以及对OER过程的影响(右)。