過渡金屬（氧）氫氧化物，是一種很有前途的析氧反應電催化劑。通過離子插入氧化還原反應，這些資料的性質隨外加電壓動態地、非均勻地演化，將開路條件下不活躍的資料，轉化為操作過程中的活性電催化劑。囙此，催化狀態天生就遠離平衡狀態，這使得直接觀察它變得困難。
在此，來自斯坦福大學的J. Tyler Mefford & William C. Chueh等研究者，利用一套相關的掃描探針和X射線顯微鏡科技建立了單晶β-Co（OH）2片狀顆粒的局部操作化學、物理和電子納米級結構與析氧活性之間的聯系。相關論文以題為“Correlative operando microscopy of oxygen evolution electrocatalysts”發表在Nature上。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03454-x
析氧反應（OER；4OH−→O2+ 2H2O + 4e−）是水電解制氫的陽極半反應，其標準電極電位（E0）對標準氫電極（SHE）為0.401 V，形式電位（E0）對可逆氫電極（RHE）為1.229 V。該反應被認為是該工藝的效率瓶頸，因為它需要相當大的應用過電位（ηOER= E- EO2/OH-> 0.3 V）。囙此，提高OER的效率對於實現基於氫氣產生和儲存的閉環清潔能源基礎設施至關重要。這將需要開發改進的過渡金屬基電催化劑，來直接識別不斷變化的資料效能是如何影響操作過程中的反應性。
在此，研究者使用單晶β-Co（OH）2片狀顆粒（圖1a），基面寬約1-2μm，邊緣厚約50-75 nm。這些粒子的掃描電鏡（SEM）影像，如圖1b，c所示。與RHE相比，在≈1.20 V和≈1.55 V的陽極電壓下，這些粒子表現出兩種體積氧化還原轉變，這兩種轉變，分別為Co（OH）2轉化為CoOOH和CoOOH轉化為CoO2。與RHE相比，在E > 1.55 V時，OER被觀察到與第二次體氧化還原過程，同時開始（圖1d）。
圖1β-Co（OH）2的負載和掃描速率依賴的電化學。
在此，研究者利用一套相關的掃描探針和X射線顯微鏡科技，建立了單晶β-Co（OH）2片狀顆粒的局部操作化學、物理和電子納米級結構與析氧活性之間的聯系。在預催化電壓下，粒子膨脹形成α-CoO2H1.5·0.5 H2O樣結構（通過氫氧根插層產生），鈷的氧化態為+2.5。在新增電壓驅動氧的釋放時，層間水和質子脫插，形成收縮的β-CoOOH粒子，其中含有Co3+。雖然這些轉變通過粒子體表現為不均勻的，但電化學電流主要局限於它們的邊緣介面。觀察到的Tafel行為，與這些反應邊緣位點Co3+的局部濃度相關，表明了體相離子插入和表面催化活性之間的聯系。
圖2β-Co（OH）2顆粒體氧化還原轉化和OER活性的SECCM。
圖3β-Co（OH）2粒子的現場原位EC-AFM。
圖4β-Co（OH）2粒子的現場原位STXM。
圖5粒子邊緣Co氧化態與OER活性的相關性。
綜上所述，相關現場原位顯微科技是用來揭示如何局部操作的化學，物理和電子結構的能量轉換資料，支配其電化學響應的重要手段。在CoOxHy體系中，氫氧根離子（去）插層反應，通過控制OER過電位和反應邊面上電壓依賴的Co3+活性位點濃度之間的關係來影響表面催化活性。這些結果表明，層狀氧化物的OER活性，以通過調整體離子插入的熱力學策略，和表面吸附能方法來提高。（文：水生）
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