图1.论文图
图2.合成过程的示意图和表征
图3.（A）stereo-Fe-CoDSC和planar-Fe-CoDSC的XANES和XPS谱图
图4.（A）CoOOH、stereo和planar-Fe-Co DSC催化剂的LSV曲线
近日，富联平台分析测试研究所（北京市理化分析测试中心）在《美国科学院院报》（PNAS）发表了题为“Spatial configuration of Fe–Co dual-sites boosting catalytic intermediates coupling toward oxygen evolution reaction”的文章（https://doi.org/10.1073/pnas.2317247121）。该论文通过构建两种不同空间构型的Fe-Co双位点催化剂，研究双位点催化剂中两个金属活性位点的空间构型促进OER（析氧反应）的催化机制。相关实验研究证明了双位点催化剂（DSCs）在OER中的协同效应，超过了单位点催化剂，展示出双位点催化剂空间构型的设计在OER领域的巨大潜力。
析氧反应（OER）是电解水产氢的主要障碍。双位点催化剂（DSCs）因在OER中的协同效应，其催化性能通常优于单位点催化剂，然而，特定空间构型的双位点催化剂的合成一直以来都是该领域研究的难点。本工作中，构建了两种构型的Fe-Co双位点催化剂，立体构型的Fe-Co位点催化剂（stereo-Fe-Co DSC）和平面构型Fe-Co位点催化剂（planar-Fe-Co DSC），且平面Fe-Co DSC具有优异的OER性能，优于立体Fe-Co DSC。研究表明：在决速步骤中，适当的Fe-Co间距和空间方向有利于双位点将中间体脱氢成*O-O*，*O中间体可以直接耦合形成*O-O*而不是*OOH，这可以克服OER中四个电子转移步骤的局限性。
XRD表征证实了合成的CoOOH基底为γ型，并且通过SEM、TEM、ICP、EDX等数据结果观测该催化剂的形貌、暴露晶面以及元素分布，证实了上述催化剂的成功制备，最后通过EELS-maping来证明Fe单原子的成功负载。Fe的XANES光谱结果显示负载的Fe是以单原子的形式存在，经过拟合分析之后，planar-Fe-Co DSC催化剂中Fe与Co处于同平面形式存在，而stereo-Fe-Co DSC催化剂中Fe处于高于Co的形式存在。催化性能测试表明，planar-Fe-Co DSC比stereo-Fe-Co DSC具有更高的本征活性，更快的电子转移速率以及更低电荷转移电阻。这表明平面构型的Fe-Co双位点可以诱导和优化Co原子的电子结构，从而增强了催化性能。
该成果由分析测试所先进材料创制及原位表征研究团队与首都师范大学化学系田洋教授团队联合完成。其中，第一作者张太严为分析测试研究所与首师大联合培养硕士研究生，第一作者江静静副研究员为先进材料创制及原位表征研究团队核心骨干，分析测试所刘向文研究员与首师大田洋教授为通讯作者。该研究成果获得了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、富联注册青年学者等项目的资助，富联注册院和首师大在研究过程中提供了大力支持和帮助。
分析测试所先进材料创制及原位表征研究团队以新材料的精准调控合成与制备为核心，依托先进的原位表征分析技术，面向能源催化、生物医药、分析分离材料等领域开展基础研究以及需求导向的应用研究。团队负责人刘向文研究员归国加入分析测试研究所后，以通讯作者身份在国际知名期刊PNAS、Nano Letters（2篇）、Materials Today、Nano Research（2篇）等发表多篇高水平研究论文，担任Nano Research期刊的青年编委，并与国内外多所院校、研究机构、企业建立了长期的合作关系。目前，原位电镜实验室将正式投入运行，团队围绕快检以及分析分离材料正在积极推动成果转化。
《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS)，是美国国家科学院的官方学术综合性刊物，被认为是世界上最顶尖的科研出版物之一，与Nature、Science、Cell并称世界四大名刊。
(刘向文 文/图)