小锦李
- 【导读】
近期，太原理工大学王美玲团队系统梳理了基于氧化路径机制（OPM）的催化剂在不同尺度下的设计策略与研究进展。
与先前侧重于同核/异核双活性位点的综述不同，本工作从纳米颗粒、分子催化剂和原子级催化剂三大类别的活性位点设计策略出发，对OPM基催化剂进行了全面评述。在纳米颗粒尺度，总结了包括原位构建、掺杂诱导位点重构或引入新活性位点等策略；在分子催化剂方面探讨了通过直接合成或后处理（压缩/氧化）构建双活性位点的方法，以及固-分子协同作用诱导OPM激活的机制；在原子级催化剂部分，重点分析了原子对和基于模板合成的短程有序原子阵列结构。
最后，特别强调了原子阵列的独特优势，并探讨其未来研究方向与潜在策略，为理性设计高性能OPM基OER催化剂提供了系统性总结与前瞻性视角。
二、【成果掠影】
图1. 本综述总结的基于氧化路径机制（OPM）的析氧反应电催化剂在纳米粒子、分子和原子尺度上的设计策略示意图以及未来发展方向。
三、【核心创新点】
本文首次从材料类型与设计策略的角度，系统总结了触发OPM机制的双活性位点构建方法，为理性设计高性能OPM基催化剂提供了重要理论依据与方向指引。同时，文章突出强调了原子级阵列结构在提升催化性能方面的独特优势，并前瞻性探讨了未来OPM催化剂向阵列化方向发展的实现路径与设计策略，为该领域的材料创新与应用拓展提供了新思路。
四、【数据概览】
图1. AEM、LOM与OPM三种机制的示意图与性能对比。（a）当活性位点之间的原子间距大于2.9 Å时，倾向于发生吸附质演化机制（AEM）；（b）当原子间距小于2.4 Å时，可促进晶格氧氧化机制（LOM），有利于晶格氧与吸附氧物种结合；（c）当原子间距处于2.4–2.9 Å之间时，可触发氧演化反应中间体（OPM）的直接O–O耦合机制；（d）基于OPM的代表性催化剂（纳米颗粒、分子和原子催化剂）在电流密度为10 mA cm–2下的过电位，以及与遵循AEM或LOM机制的对比催化剂之间的性能比较。
图2. 基于不同结构尺度的OPM析氧电催化剂总结。根据活性位点的结构尺度，目前已报道的OPM基催化剂可分为纳米颗粒、分子催化剂和原子催化剂三类。纳米颗粒催化剂主要包括钙钛矿类、金红石型氧化物及层状双氢氧化物（LDHs）；分子催化剂涵盖天然分子配合物、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）及分子共催化剂；原子催化剂包括金属原子对和金属原子阵列。
图3. OPM基纳米颗粒催化剂的三种主要设计策略：（i）原位重构；（ii）掺杂诱导的本征双位点重构；（iii）引入异质位点。
图4. 金属原子对和金属原子阵列的示意图模型。金属原子对具有高度分散的活性位点，而阵列催化剂具有短程有序的活性位点。
图5. 从纳米颗粒、分子、原子三个结构尺度总结OPM基催化剂设计策略的示意图。
五、【成果启示】
触发OPM机制的核心挑战在于对双活性位点空间结构与电子性质的精准调控。目前，纳米颗粒可通过原位形成或掺杂等策略宏观构建活性位点，因而发展较为迅速，但因宏观结构中原子的精准表征较难，一定程度上制约了机制研究与本征性能的深入探索。分子催化剂结构可设计性强，有利于实现活性位点的精确设计与构建，然而其稳定性方面还有待进一步提高。相比之下，原子阵列结构能够实现原子级别的精确调控，在机理研究和理性设计方面展现出较大潜力，但仍受限于大规模合成与宏观操纵的难度。值得注意的是，目前已报道的原子阵列仅基于贵金属Ru，其成本一定程度阻碍了产业化应用。因此，未来研究应致力于寻找合适的模板与方法，设计负载型过渡金属原子阵列，从而推动OPM基电催化剂的进一步发展。
本篇论文的第一作者为太原理工大学材料科学与工程学院2024级硕士研究生杨瑾，论文通讯作者为太原理工大学王美玲副教授/桑胜波教授。该工作以Review的形式发表在Journal of Energy Chemistry (IF-14.9)。
原文详情：
Structure design of oxide path mechanism-based electrocatalysts for enhanced oxygen evolution reaction performance
