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解决方案1：
西北工业大学张秋禹教授团队在《Nature Communications》发表最新研究成果：通过配位实现高效电催化氧析出反应
西北工业大学张秋禹教授、郭威副教授等人合作提出了一种“通过配位实现高效电催化氧析出反应（OER）”的新策略，并成功在《Nature Communications》期刊上发表了题为“Identifying and tuning coordinated water molecules for efficient electrocatalytic water oxidation”的研究成果。该研究实现了248 mV的超低过电位和200小时的长期稳定性，为开发稳定、高效的非贵金属基催化剂提供了新思路。
研究背景
水分解制氢作为一种潜在的清洁能源转化技术，其效率受限于氧析出反应（OER）的复杂质子-电子耦合转移过程。贵金属催化剂如钌、铱虽性能良好，但高成本与稀缺性了其大规模应用。过渡金属基材料因电子结构可调性被视为低成本、高活性的候选材料，然而现有研究中的多元成分动态浸出问题导致其催化活性和稳定性不足。配位化合物因高度可调的金属活性中心、稳定的结构以及优良的电子能力，成为研究催化剂结构-性能关系的理想模型，但导电性差及微观环境重构问题了其性能提升。
研究亮点
创新性设计多配位水环境：
通过羧酸阴离子与多共轭苯并咪唑配体的协同作用，构建了含不同配位水分子环境的镍基配位化合物。
揭示了配位水分子在氧耦合机制中的关键作用。
低过电位与高稳定性：
所制备的Ni-tPBA3电催化剂在10 mA/cm²电流密度下实现了248 mV的低过电位。
展现了200小时的长期稳定性，性能超越了大多数非贵金属催化剂。
理论与实验结合：
通过原位拉曼与密度泛函理论（DFT）计算，证明多配位水分子促进了分子内电子转移与氧耦合，优化了动力学步骤。
研究成果
Ni-tPBA的设计与合成：
研究通过桥连中性含氮杂环配体及π-π堆积构建了三维配位结构。
引入三种芳香羧酸作为辅助配体，Ni-tPBA系列化合物从0D到3D的结构扩展。
Ni-tPBA3因较高的HOMO能级和较低的能隙具备优异的电子传导性能。
Ni-tPBA3的晶体结构：
Ni-tPBA3由五种不同类型的镍中心构成，形成复杂的三维网络结构。
苯并咪唑基团的反螺旋对称性排列形成榫卯结构，增强了框架的刚性和稳定性。
三维有机-无机复合结构提升了化合物的电子传导性能，为反应中间体提供了更多活性位点。
Ni-tPBA0~3的电化学性能：
Ni-tPBA3在10 mA cm⁻²电流密度下的过电位仅为248 mV，表现最优。
Tafel斜率为49.7 mV dec⁻¹，显著低于其他材料，展现了较快的反应动力学。
电化学阻抗谱分析表明Ni-tPBA3的电荷转移阻抗最低。
长期稳定性测试显示Ni-tPBA3在10~400 mA cm⁻²电流密度下持续运行200小时，表现出优异的稳定性和耐久性。
OER机理分析：
原位Raman光谱研究表明Ni-tPBA3的配位水和配体结构在反应中保持高度稳定。
配位水分子能够动态参与反应并促进分子内氧耦合机制（IOM）的进行。
IOM机制避免了传统催化剂因晶格氧溶解而导致的失效问题，为OER反应提供了更低的能量屏障和更高的催化效率。
理论计算与自由能分析：
多配位水分子之间的协同作用能够显著降低反应中间体的形成能量，并优化分子内氧耦合路径（IOM）。
与传统吸附进化机制（AEM）相比，IOM能够降低自由能至1.65 eV，而AEM则需2.16 eV。
自由能图谱揭示了多个开放配位位点（OCS）的动态调节作用，优化了反应能垒。
结论与展望
本研究通过精准镍基配位化合物的配位水环境，实现了对OER反应的高效催化。实验与理论结合揭示了配位水分子在分子内氧耦合机制中的核心作用，为开发稳定、高效的非贵金属基催化剂提供了新思路。未来研究需优化配体的螯合特性以平衡活性与稳定性，并探索其他小分子取代水分子以进一步催化性能。此外，还需开发适应性更强的配位催化剂以适应实际应用中的复杂电解质环境。该研究为催化剂分子设计提供了重要借鉴，推动了电解水技术的进一步发展。
文献信息
Identifying and tuning coordinated water molecules for efficient electrocatalytic water oxidation. Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-024-55120-1