為滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)清潔能源的需求，電催化水分解技術(shù)作為生產(chǎn)H2和O2的高效手段，而被廣泛研究應(yīng)用。由于水氧化半反應(yīng)涉及四電子轉(zhuǎn)移過程，因此加速水氧化反應(yīng)速率有利于促進(jìn)整體水分解反應(yīng)的順利進(jìn)行，該領(lǐng)域的研究主要聚焦于高效電催化劑的設(shè)計(jì)制備。在自然界，光系統(tǒng)Ⅱ中的產(chǎn)氧中心（Oxygen Evolving center, OEC）給出了一個(gè)催化水氧化反應(yīng)的天然參考：Mn和Ca離子組成的[Mn4O5Ca]核心簇以及周圍的氨基酸環(huán)境構(gòu)成了主要催化活性中心（圖1），TOF值高達(dá)100-400 s-1。受此啟發(fā)，越來越多的研究人員通過模仿光系統(tǒng)Ⅱ的催化中心開發(fā)出大量高效電催化劑。近期材料科學(xué)與工程學(xué)院卜顯和課題組總結(jié)了近年來由光系統(tǒng)II啟發(fā)的人工電催化劑的研究進(jìn)展，特別是廉價(jià)、含量豐富的過渡金屬催化劑，從催化劑的設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)和性能展開討論，最終提出了有助于后續(xù)催化劑開發(fā)的幾點(diǎn)展望。
為滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)清潔能源的需求，電催化水分解技術(shù)作為生產(chǎn)H2和O2的高效手段，而被廣泛研究應(yīng)用。由于水氧化半反應(yīng)涉及四電子轉(zhuǎn)移過程，因此加速水氧化反應(yīng)速率有利于促進(jìn)整體水分解反應(yīng)的順利進(jìn)行，該領(lǐng)域的研究主要聚焦于高效電催化劑的設(shè)計(jì)制備。在自然界，光系統(tǒng)Ⅱ中的產(chǎn)氧中心（Oxygen Evolving center, OEC）給出了一個(gè)催化水氧化反應(yīng)的天然參考：Mn和Ca離子組成的[Mn4O5Ca]核心簇以及周圍的氨基酸環(huán)境構(gòu)成了主要催化活性中心（圖1），TOF值高達(dá)100-400 s-1。受此啟發(fā)，越來越多的研究人員通過模仿光系統(tǒng)Ⅱ的催化中心開發(fā)出大量高效電催化劑。近期材料科學(xué)與工程學(xué)院卜顯和課題組總結(jié)了近年來由光系統(tǒng)II啟發(fā)的人工電催化劑的研究進(jìn)展，特別是廉價(jià)、含量豐富的過渡金屬催化劑，從催化劑的設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)和性能展開討論，最終提出了有助于后續(xù)催化劑開發(fā)的幾點(diǎn)展望。
圖1. 光系統(tǒng)Ⅱ中放氧中心的結(jié)構(gòu)示意圖 本文首先介紹了由OEC中的核心[Mn4O5Ca]簇啟發(fā)而設(shè)計(jì)的電催化劑。由于Mn元素在OEC中的獨(dú)特作用，使其他3d過渡金屬作為Mn的替代品成為可能，代表性的過渡金屬Co、Cu、Ni、Fe具有優(yōu)異的活性和穩(wěn)定性，應(yīng)用廣泛，以這些金屬為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了各種單核或多核金屬簇。另外，OEC中獨(dú)特的立方烷結(jié)構(gòu)使研究人員也傾向于人工合成立方烷簇結(jié)構(gòu)；Mn離子與Ca離子的協(xié)同作用促進(jìn)了異種金屬簇的開發(fā)，這些方法均在提升性能方面展現(xiàn)出正面效果。 其次，光系統(tǒng)Ⅱ中Mn4O5Ca]周圍的各種氨基酸環(huán)境是OEC具有高活性的另一個(gè)關(guān)鍵因素。這些氨基酸能夠作為有效的電子/質(zhì)子受體，活化反應(yīng)的電子/質(zhì)子傳輸過程。因此，本文隨后討論了各種材料作為催化劑配體的應(yīng)用進(jìn)展，如金屬有機(jī)框架（MOFs）、多金屬氧酸鹽（POMs）；OEC中氨基酸的-OH官能團(tuán)可作為電子受體，因此目前已經(jīng)有報(bào)道設(shè)計(jì)的配體中含-OH的催化劑，具有較低的過電位，展示了良好的性能；插層陰離子，二級(jí)配位球中CO32-、HCO3-等陰離子的合理設(shè)計(jì)可引入質(zhì)子受體，促進(jìn)質(zhì)子協(xié)同電子轉(zhuǎn)移過程。 最后，對(duì)未來光系統(tǒng)Ⅱ在電催化水氧化中應(yīng)用導(dǎo)向進(jìn)行了展望，同時(shí)還探討了模擬光系統(tǒng)Ⅱ的設(shè)計(jì)在其他催化領(lǐng)域的應(yīng)用潛能。 論文信息 Rational Design of Electrocatalysts for Water Oxidation Reaction: Inspiration from Photosystem II Hanxi Li, Feifan Lang, Ming Liu, Xinghao Zhang, Di Yang, Dr. Jijie Zhang,* and Prof. Xian-He Bu* ChemCatChem DOI: 10.1002/cctc.202301146
