山西
析氧反應（OER）是酸性和堿性水電解中的催化瓶頸，其關鍵挑戰在于將兩個氧原子近距離結合形成O–O鍵。目前提出的機制包括金屬-氧物種的相互作用或水親核攻擊路徑，其中質子轉移過程尤為重要。在異質催化劑中，鄰近的金屬羥基位點可能作為分子內質子-電子轉移中繼，提升水氧化動力學，但這一機制在分子水平上尚未明確。Ni–Fe基材料是高效的水氧化催化劑，但其協同作用機制存在爭議，尤其是在pH依賴性動力學和質子轉移路徑方面。
針對以上難題，瑞典皇家理工學院孫立成院士（大連理工大學、西湖大學）、大連理工大學李福勝副教授團隊利用氮雜稠合π共軛微孔聚合物作為分子平臺，協調Ni或Ni–Fe位點，模擬異質Ni–Fe材料中高活性邊緣位點的結構，探究水氧化機制。通過實驗與計算結合，發現鄰近的金屬羥基作為分子內質子轉移中繼，顯著增強O–O鍵形成動力學。溶液中的陰離子與相鄰Ni3?–OH位點共同作為質子轉移中繼，促進水氧化反應，導致pH依賴性動力學。該研究揭示了電解質pH在Ni–Fe系統水氧化電催化中的關鍵作用，為設計高效催化劑提供了新視角。
相關研究成果以“Metal-hydroxyls mediate intramolecular proton transfer in heterogeneous O–O bond formation”為題，發表在Nature Chemistry上。
研究證明，錨定在Aza-CMP上的分子Ni–Fe位點作為高效的水氧化中心，其催化活性優于現有材料基催化劑。與單一Ni位點相比，Ni–Fe位點啟用了金屬羥基介導的水親核攻擊路徑，其中溶液陰離子和相鄰Ni3?–OH基團作為質子轉移中繼，協同促進Fe–O位點上的O–O鍵形成。該機制闡明了pH依賴性動力學及其在分子水平上的多位點協同作用，同時避免了高價位Ni物種的形成，明確了Ni–Fe系統活性增強的起源。此外，研究提出的動力學工具（如質子庫存和陰離子反應級數）為評估質子轉移機制提供了新方法，適用于多元金屬催化劑的機理研究。
Yang, H., Li, F., Zhan, S. et al. Metal-hydroxyls mediate intramolecular proton transfer in heterogeneous O–O bond formation. Nat. Chem. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01993-8
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