酸性环境中二氧化锰电解水催化剂示意图。中国科学院大连化学物理研究所供图

中国科学院大连化学物理研究所研究员肖建平团队与日本理化学研究所研究员李爱龙、教授中村龙平团队，在电解水材料设计研究中取得新进展。他们制备了不同晶格氧结构的γ-二氧化锰（MnO₂）材料，获得了安培级电流密度的电解水活性，同时该材料在酸性环境中实现了超长电解稳定性。相关研究成果近日发表于《自然-催化》。

制备酸性条件下具有高活性和高稳定性的非贵金属电催化水氧化（OER）催化剂是清洁能源利用领域中的研发重点。在前期工作中，肖建平团队与合作者通过理论计算解释了不同OER催化剂的活性、稳定性趋势及反应机理，取得了一系列研究成果。

在γ-MnO₂催化剂中，存在着两种不同的晶格氧，即平面配位结构（O_pla）和三角锥配位结构（O_pyr）的晶格氧。在该研究中，肖建平团队通过构建不同O_pla含量的γ-MnO₂模型，研究了γ-MnO₂稳定性与O_pla含量的关系。对于γ-MnO₂的溶解，团队提出了O_pla和O_pyr两种溶解机理，并通过热力学计算对比了两种机理的反应能变，发现了O_pla和O_pyr的羟基化分别是两种机理的限制步骤。团队通过电化学能垒计算证明，O_pla比O_pyr更难溶解，说明增加O_pla含量可以提高γ-MnO₂的稳定性。

通过计算不同O_pla含量γ-MnO₂的溶解速率，研究团队对γ-MnO₂的稳定性趋势进行了半定量解析，为高稳定性OER催化剂的设计提供了理论见解。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-023-01091-3

（原载于《中国科学报》 2024-01-30 第1版 要闻）