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Angew.：通過優化金屬磷三硫化物基電催化劑中的陽離子和陰離子復雜性加速OER反應

有目的地改變析氧反應（OER）的速率決定步驟（RDS）仍然是提高電化學分解水能效的主要挑戰。

基于此，北京高壓科學研究中心張衡中研究員（通訊作者）等人通過簡單地改變金屬磷三硫化物電催化劑（MPT₃，其中M = Fe, Ni; T = S, Se）的陽離子和陰離子復雜性來調節OER的RDS，在(Ni,Fe)P(S,Se)₃中實現了極高的OER活性，具有超低的Tafel斜率（34 mV dec^-1）和過電位。

密度泛函理論（DFT）計算表明該催化劑具有最理想的OER活性描述符值（ΔG(O*)-ΔG(OH*) = 1.5 eV）。

作者通過DFT計算了MPT₃上OER的吉布斯自由能變化。MPT₃#1-5的電位決定步驟（PDS）是步驟R3（O* + OH^– ? OOH* + e^–），(Ni,Fe)P(S,Se)₃的PDS是步驟R4（OOH* + OH^– ? O₂ + e^– + H₂O）。

而微觀動力學分析表明，MPT₃#1-5的動力學RDS是步驟R2（OH* + OH^– ? O* + e^– + H₂O），(Ni,Fe)P(S,Se)₃的動力學RDS是步驟R3。由于DFT計算沒有考慮過渡態、離子溶劑化、雙層結構和電場的影響，動力學RDS在控制OER動力學方面比PDS更有說服力。

不同MPT₃催化劑相應的OER活性描述符ΔG(O*)-ΔG(OH*)預測了OER活性順序為#6>#5>#4>#3>#2>#1，與實驗結果吻合較好。理論及實驗過電位η和活性描述符ΔG(O*)-ΔG(OH*)之間均存在非常好的線性關系。

此外，作者根據M-S/Se鍵的貢獻導出了一個復雜性指數（h）來量化MPT₃系列催化劑的陽離子和陰離子復雜性，ΔG(O*)-ΔG(OH*)隨h幾乎呈線性變化。這表明吸附位點附近的陽離子和陰離子對O*/OH*的吸附能有顯著的影響，進一步影響了MPT₃催化劑的OER活性。

Expediting Oxygen Evolution by Optimizing Cation and Anion Complexity in Electrocatalysts Based on Metal Phosphorous Trichalcogenides. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202214570.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202214570.

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