析氧反應(OER)作為電催化系統(tǒng)的一種重要陽極反應，能夠匹配陰極(如電化學析H2、二氧化碳還原和N2還原)來生成化學燃料和原料。然而，OER的多質子耦合電子轉移(PCET)過程是一種惰性動力學過程，會導致較大的過電位，嚴重限制器件的能量轉換效率和實際應用。
緩慢的動力學主要是由于在OER過程中產(chǎn)生了快-電子-慢-質子不平衡，從而使OER的效率受到質子轉移速率的控制；在質子轉移過程中，O?H鍵的激活和O?O鍵的形成阻礙了OER的電催化效率。因此，設計有效的OER催化劑來激活O?H鍵和平衡PCET過程是一項必要但極具有挑戰(zhàn)性的工作。
基于此，南開大學卜顯和和李娜等通過調節(jié)質子轉移途徑，開發(fā)了一種具有優(yōu)越OER活性的光系統(tǒng)II(PSII)激發(fā)的鎳基電催化劑。
具體而言，研究人員以NiFe LDH作為催化劑平臺并模擬光系統(tǒng)II(PSII)，將TA2?部分插入SCS(NF LDH/TA2?)中(雙金屬活性中心(FeO6和NiO6)和對苯二甲酸陰離子(TA2?)分別位于第一和第二配位球上)，大大提高了其催化活性和快速反應動力學。
因此，在模擬工業(yè)條件下(堿性分離器，2.0 M KOH，60°C)，優(yōu)化后的NF LDH/TA2?比商業(yè)催化劑具有更好的內(nèi)在催化活性。
理論計算和實驗結果表明，TA2?作為一種有效的質子受體，其能夠與FeO6/NiO6結合并產(chǎn)生了質子快速轉移到質子結合中間體的協(xié)同效應；TA2?和KIEs從-COO?到-COOH的電催化轉變證實了反應中間體中質子轉移途徑的改變，可以平衡反應中間體的吸附/解離電位，克服OER緩慢的動力學。
綜上，該項工作展示了SCS效應在增強OER活性方面的優(yōu)勢，并為進一步合成人工水氧化光催化劑和通過SCS效應構建高效的電催化劑提供了思路。
Photosystem II Inspired NiFe-Based Electrocatalysts for Efficient Water Oxidation via Second Coordination Sphere Effect. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202300507
