港理工JACS: β-Ni(OH)2表面重构: 一种强化OER的自激活过程

催化剂的性能取决于催化剂表面的原子结构和电子结构，其在催化过程中的行为直接影响催化剂的有效反应位点和相关活性。作为一个典型，析氧反应(OER)的高度氧化环境可以导致各种催化剂表面的动态重构，形成更活跃的或惰性物种，这显着影响OER活性。因此，在OER过程中探测这种重构行为对于确定真正的活性物种和相关的催化机制是必要的。传统的表征技术只能检测到不可逆转的结构重组，而忽略了所有只能通过原位检测的中间过程和可逆过程。目前的原位显微镜和光谱技术可以揭示OER过程中的动态结构和成键演化，但由于液体电解质的存在，导致空间分辨率降低，这限制了对于催化机理理解和催化剂性能优化。

近日，香港理工大学朱叶课题组揭示了在OER过程中优先发生在β-Ni(OH)₂催化剂边缘面上的纳米尺度表面重构过程。为了更好地说明3d过渡金属氢氧化物在更小尺度上的催化机制，利用高分辨率异位透射电子显微镜(TEM)，结合operando技术，来研究重构过程的中间态。将此策略应用于具有明确界面的单晶β-Ni(OH)₂，可以观察到β-NiOOH为活性种，边缘面为活性位点。

值得注意的是，研究人员揭示了由OER驱动的表面重构过程，以在活性边缘面形成纳米多孔但外延的Ni_1-xO层。所形成的Ni_1-xO缺少Ni并含有Ni³⁺物种，这不仅增加了暴露的活性位点和Ni氧化动力学，而且优化*OH亲和力，以促进在较低电位下的限速去质子化过程。

因此，这种依赖于面的表面重构实际上是一个能够显著提高OER活性的自激活过程。在这种自激活过程的指导下，研究人员开发出具有较大边界面的β-Ni(OH)₂催化剂。实验结果表明，具有较大边界面的β-Ni(OH)₂仅需300 mV的过电位就能产生200 mA cm⁻²的电流密度，并在1000次CV循环后仍保持良好的活性，表明其具有优异的反应活性和稳定性。

总的来说，该项工作通过研究β-Ni(OH)₂表面重构发现了一种OER增强机制，为设计和开发高活性的电催化剂提供了新思路。

Facet-dependent surface restructuring on nickel (oxy)hydroxides: a self-activation process for enhanced oxygen evolution reaction. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c02292