Nature子刊：无金属催化剂亦有高性能！聚合物水凝胶用于高效电催化水氧化

电催化OER在许多能量转换和存储系统中是必不可少的，特别是对于水分解电解槽和可充电的金属-空气电池。OER涉及到多电子和多中间体，因此有必要设计优异的电催化剂以加快反应动力学。碳质无金属电催化剂作为一类重要的OER催化剂，近年来得到了广泛的研究。

此外，杂原子掺杂、缺陷工程和碳基底(例如碳纳米管，石墨烯)的分子间功能化是针对这种无金属OER电催化剂的典型合成策略。本质上，所有这些策略都诱导了共轭碳基体上的电荷重分布，从而使一些局部带正电的(或称为p型结构域)碳原子被激活作为OER的活性位点，即在OER过程中，诱导带正电荷的碳是氢氧化物中间体吸附必不可少的条件。

然而，依赖碳同素异形体作为原料限制了前体的选择，而上述大多数改性方法也涉及复杂和/或能源消耗程序(如煅烧)。因此，有必要寻找易于制备的高效无金属OER电催化剂，但这也具有挑战性。

近日，悉尼大学赵慎龙、裴增夏和波多黎各大学陈中方等证明中间结构聚丙烯酸酯水凝胶可以提供优异的OER活性(与碱性电解质中的基准IrO₂催化剂相当)，以及在各种pH环境中的高耐久性和良好适应性。具体而言，所制备的CC-PANa电极在10 mA cm⁻²电流密度下的OER过电位为316 mV，Tafel斜率仅为42 mV dec⁻¹；PANa电极在酸性和中性磷酸盐缓冲溶液电解质中也具有良好的OER活性。

然而，与碱性电解质相比，酸性和中性电解质中的电极显示出更严重的活性衰减，这是因为非碱性电解质中OER所需的过电位太高，并且酸性电解质具有高度腐蚀性。因此，虽然PANa电极在不同的电解质中表现出活性，但它更适合于碱性电解质中的OER。

为了证明聚合物水凝胶材料作为OER电催化剂的一般性，研究人员还研究了另一种最常见的烯丙基聚合物聚丙烯酰胺(PAM)的OER活性。DFT计算表明，PAM水凝胶对于OER需要更大的过电位，可能是由于末端酰胺组中碳原子的正电荷较少(+0.152 e，唯一的活性位点)。这些结果表明，作为OER电催化剂的聚合物水凝胶必须有足够的正碳中心，但最佳电荷密度仍有待进一步研究。

此外，研究人员水解了PAM(在6 M KOH中保持在70 °C 1小时，标记为HPAM)，HPAM样品中-CONH₂基团特征峰向-COO基团特征峰变化。同时，与原始的CC-PAM相比，CC-HPAM电极提供了更好的OER活性，活性的逐渐增强进一步证明-COO基团是一个更加活跃的OER位点，这也表明了通过调节聚合物化学来开发高效的水凝胶基OER电催化剂的巨大潜力。

A Polymeric Hydrogel Electrocatalyst for Direct Water Oxidation. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-36532-x

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Nature子刊：无金属催化剂亦有高性能！聚合物水凝胶用于高效电催化水氧化

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