发展能够促进析氧反应（OER）迟缓动力学的非贵金属催化剂对于高效水分解以实现氢能的大规模利用至关重要。水钠锰矿（birnessite）具有与光合作用系统II中的产氧团簇相似的局部原子结构，因此受到了广泛的研究。但birnessite自身的OER催化性能仍不尽如人意，需要进一步的改性增效。同时，birnessite限制性的层间微环境，尤其是限制性的层间水环境，也会对其OER催化活性和作用机制产生影响，但目前这一部分的研究相对较少。鉴于此，北京大学深圳研究生院杨世和教授（深圳湾实验室）、龙霞副教授和深圳湾实验室高加力教授（北京大学深圳研究生院）、王英杰副研究员报道了一种通过控制Fe(III)插层和对接而诱导birnessite局部层重构的Fe-Bir催化剂，表现出显著提升的OER催化活性，其在10 mA/cm2的过电位低至240 mV，tafel斜率低至33 mV/dec。
实验和理论计算表明，Fe(III)对接诱导了MnO2层局部重构，部分Mn(IV)还原为Mn(III)，并形成层边锚定的Fe(III)-O-Mn(III)活性位点。层边锚定的Fe(III)和Mn(III)离子以及封闭的层间环境促进了层间水的有序排列，从而降低重组能并加速电子转移。DFT计算表明，Fe(III)-O-Mn(III)协同吸附O*和OH*中间体，以非协同的PCET步骤高效产氧。该工作为在纳米尺度上设计低维材料来提高水分解反应动力学开辟了一条新的途径。
这项工作于近期发表在化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society上，标题为“Fe(III) Docking-Activated Sites in Layered Birnessite for Efficient Water Oxidation”。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c01181
本文的第一作者为北京大学深圳研究生院博士研究生鞠敏，通讯作者为北京大学深圳研究生院杨世和教授、龙霞副教授和深圳湾实验室高加力教授、王英杰副研究员。上述研究工作得到了国家自然科学基金、深圳市孔雀计划和深圳市科技创新委员会的大力支持。
