王海丰团队Nat. Commun.: 气泡-水/催化剂三相界面微环境加速光催化OER
2024年3月15日，Nat. Commun.在线发表了华东理工大学王海丰教授课题组的研究论文，题目为《Bubble-water/catalyst triphase interface microenvironment accelerates photocatalytic OER via optimizing semi-hydrophobic OH radical》。

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光催化水分解（PWS）作为太阳能转化为化学能的圣杯反应受到水/催化剂界面缓慢析氧反应（OER）的挑战。有趣的是，实验证据表明温度可以显著加速OER，但原子水平的机制在实验和理论上仍然难以捉摸。

在此研究中，与传统的阿伦尼乌斯（Arrhenius）型的温度依赖性相反，作者首次定量地证明了温度诱导的界面微环境变化，特别是气泡-水/TiO2(110)三相界面的形成，对优化OER动力学具有重大影响。研究证明，液-气共存态在保留质子转移通道的同时形成了一个无序且松散的氢键网络，这极大促进了半疏水•OH自由基和O-O偶联的形成，从而加速了OER。此外，研究提出在TiO2(110)上添加疏水性物质可以控制局部微环境以提高OER，而无需额外的热能输入。

一个简单而新颖的策略已经被证明，通过在TiO2(110)衬底上引入疏水性六氟丙酮，在环境条件下将光催化OER活性提高了25倍，这是文献中最高的改进之一。这一结果为PWS催化剂的设计开辟了新的可能性。总而言之，微环境在影响化学反应中起着巨大的作用：通过调节微环境，反应速率可以提高几个数量级；温度变化引起的微环境变化甚至比传统的温度效应更重要。

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图1 不同温度下的界面环境和OER性能


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图2 •OHt在不同界面上的关键特性


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图3 不同界面上H2O解离过程中的质子转移


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图4 通过构建疏水界面提高OER活性的策略说明

【论文链接】
Ren, G., Zhou, M., Hu, P. et al. Bubble-water/catalyst triphase interface microenvironment accelerates photocatalytic OER via optimizing semi-hydrophobic OH radical. Nat. Commun., 2024, 15, 2346. https://doi.org/10.1038/s41467-024-46749-z

【其他相关文献】

[1] Wang, D., Sheng, T., Chen, J. et al. Identifying the key obstacle in photocatalytic oxygen evolution on rutile TiO2. Nat. Catal., 2018, 1, 291–299. https://doi.org/10.1038/s41929-018-0055-z
[2] Ren, G., Min Zhou, M. & Wang, H. Weakened Interfacial Hydrogen Bond Connectivity Drives Selective Photocatalytic Water Oxidation toward H2O2 at Water/Brookite-TiO2 Interface. J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 9, 6084–6093. https://doi.org/10.1021/jacs.3c13402