反應(yīng)中間體的吸附能量之間的通用線性縮放關(guān)系限制了多步驟催化反應(yīng)中催化劑的性能。

2025年2月3日，新加披南洋理工大學(xué)陳鵬教授、香港城市大學(xué)劉彬教授、南方科技大學(xué)王陽剛副教授在Nature Communications發(fā)表了題為《Breaking linear scaling relationships in oxygen evolution via dynamic structural regulation of active sites》的論文。?Zheye Zhang、Hongyan Zhao、Shibo Xi為論文共同第一作者，陳鵬教授、劉彬教授、王陽剛副教授為論文共同通訊作者。

陳鵬，新加坡南洋理工大學(xué)教授，英國皇家化學(xué)學(xué)會會士，于2002年在密蘇里大學(xué)哥倫比亞分校獲得博士學(xué)位，隨后，他在哈佛大學(xué)從事博士后研究。2005年，陳博士加入新加披南洋理工大學(xué)，擔(dān)任助理教授?，F(xiàn)任化學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院正教授。

陳博士致力于生物學(xué)、納米材料和工程學(xué)的交叉領(lǐng)域，努力開發(fā)新的納米技術(shù)來解決未解決的問題。

劉彬教授分別于2002年和2004年在新加坡國立大學(xué)獲得工學(xué)學(xué)士和工學(xué)碩士學(xué)位，并于2011年在美國明尼蘇達(dá)大學(xué)獲得博士學(xué)位。在美國加州大學(xué)伯克利分校從事博士后一年后，他于2012年加入南洋理工大學(xué)擔(dān)任助理教授，并于2017年晉升為副教授。2023年，劉教授加入香港城市大學(xué)擔(dān)任教授。

他的研究重點(diǎn)是光（電）催化和原位/原位表征。

王陽剛，副教授，博士生導(dǎo)師, 國家優(yōu)青（2020）。2014年博士畢業(yè)于清華大學(xué)，師從李雋教授。2014年至2018年先后在美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室以及德國馬普Frtiz Haber研究所從事博士后研究。2018年起，加入南方科技大學(xué)開展研究工作。

他長期從事動態(tài)催化理論與機(jī)制研究，重點(diǎn)關(guān)注能源與環(huán)境相關(guān)的復(fù)雜催化過程如電催化、生物質(zhì)催化的動態(tài)機(jī)制，在動態(tài)單原子催化、金屬載體動態(tài)相互作用以及電催化動態(tài)模擬方面取得了系列創(chuàng)新性成果。

在這里，作者展示了通過活性位點(diǎn)的動態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，打破了電化學(xué)析氧反應(yīng)（OER）中的線性比例關(guān)系。作者通過原位電化學(xué)激活構(gòu)建了一種Ni-Fe₂分子催化劑，其能夠表現(xiàn)出顯著的本征OER活性。

理論計(jì)算和電動研究表明，由分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移驅(qū)動的Ni-Adsorbate配位的動態(tài)演化可以有效地改變相鄰Fe活性中心的電子結(jié)構(gòu)。這種動態(tài)的雙位點(diǎn)協(xié)同作用同時(shí)降低了與O-H鍵斷裂和O-O鍵形成的自由能變化，從而破壞了OER中固有的比例關(guān)系。

本研究不僅推動了分子水氧化催化劑的發(fā)展，還為打破多中間體參與催化反應(yīng)中的線性比例關(guān)系提供了新的范式。

圖1：動態(tài)OER機(jī)制的理論計(jì)算

圖2：OER性能

圖3：電動力學(xué)研究

綜上，作者通過構(gòu)建Ni-Fe₂分子復(fù)合催化劑，打破了電化學(xué)OER中的線性比例關(guān)系。通過原位電化學(xué)激活和理論計(jì)算，揭示了Ni位點(diǎn)的動態(tài)演變能夠調(diào)節(jié)相鄰Fe活性中心的電子結(jié)構(gòu)，從而同時(shí)降低O-H鍵斷裂和O-O鍵形成的自由能。

這種動態(tài)雙位點(diǎn)協(xié)同機(jī)制不僅顯著提高了催化劑的OER性能，還為設(shè)計(jì)高性能OER催化劑提供了新的思路。未來的研究可以進(jìn)一步探索這種動態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控策略在其他多步催化反應(yīng)中的應(yīng)用，為開發(fā)新型高效催化劑提供理論支持。

Zhang, Z., Zhao, H., Xi, S. et al. Breaking linear scaling relationships in oxygen evolution via dynamic structural regulation of active sites.?Nat. Commun., (2025).