Angew. Chem. :水溶液体系中Fe(VI)水氧化中间体的直接探测

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NiFe基催化剂作为碱性条件下活性最高的析氧催化剂之一,在水分解反应中得到了广泛的研究。然而,关于NiFe基催化剂中的活性中心是Ni还是Fe,一直存在争议。解决这一争议的关键在于高氧化态金属中间体的原位检测。尽管Fe(VI)中间体在无水-乙腈电解质系统中已被成功地捕获,并通过电化学-红外光谱法进行了检测,但在水溶液体系、真实工作条件下Fe(VI)中间体的表征仍未能实现。为了解决这一问题,电子科技大学李严波教授团队利用NiFe基催化剂自修复水氧化循环中Fe(VI)O42-中间体的动态稳定性,通过简单的电化学-紫外可见光谱法直接检测到浸出到电解液中高氧化态的Fe(VI)中间体。


由于高氧化态金属活性物种的热力学稳定性较低,在水氧化过程中不可避免地会浸出到溶液里面。但在常规的水分解系统中,因为浸出的高价态物种的浓度太低,无法通过光谱方法直接检测。为了克服这一困难,基于NiFe基催化剂自修复水氧化循环的过程,通过在大电流密度(100-300 mA∙cm-2)下以及含Fe(II)的电解液中连续测试数百小时,使得水相电解质中的Fe(VI)O42-物种逐渐富集,并可以通过简单的紫外-可见吸收光谱实现对Fe(VI)O42-中间体的直接检测。这一结果为证明Fe是NiFe基析氧催化剂的活性中心提供了直接的证据。



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进一步地,作为提高催化活性的关键因素,促进Fe(VI)中间体的形成将有利于提高催化剂的OER活性。团队此前的研究发现(Nat. Commun. 2021, 12, 5980),在NiFe基催化剂中引入Co,可以有效促进Fe活性中心再沉积效率,是催化剂实现自修复的关键因素。本研究进一步发现,在NiFe基催化剂中引入Co,还可以大大提升Fe(VI)O42-活性物种的生成速率,这表明Co的引入对催化剂的OER活性也有提升作用。

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在水氧化过程中直接检测到水溶液中高氧化态的Fe(VI)中间体有助于结束关于Fe还是Ni是NiFe基催化剂活性中心的争论。更重要的是,本工作中发现的Co对Fe(VI)活性物种生成的促进作用将有可能为设计具有更高活性和稳定性的析氧催化剂提供新思路。

文信息

Direct Detection of Fe(VI) Water Oxidation Intermediates in an Aqueous Solution

Chao Feng, Xianghua She, Yequan Xiao, Yanbo Li


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202218738




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