氧還原反應(yīng)（OER）在水分解反應(yīng)以及金屬-空氣電池中扮演著重要的角色。開發(fā)**的氧還原反應(yīng)催化劑是目前的研究熱點之一，水滑石是一類層狀雙金屬氫氧化物(Layered Double Hydroxides，LDHs，分子式為[M1-x2+Mx3+(OH)2]x+Ax/nn-·mH2O)，屬于陰離子型層狀材料

通過理論計算模型的模擬，探討了以層狀雙金屬氫氧化物（LDH）為載體的金屬催化劑在氧還原反應(yīng)（OER）中的催化活性及其內(nèi)在反應(yīng)機，以實驗來驗證理論。制備了負(fù)載單原子Au的NiFe LDH催化劑（sAu/NiFe LDH），并探究了其在OER反應(yīng)中的活性。理論計算表明，反應(yīng)的活性位點是負(fù)載在LDH之上的NiFe氫氧化物中的Fe，F(xiàn)e被周圍的CO32-以及H2O所穩(wěn)定。Au單原子可以將電子傳導(dǎo)至LDH，改變其電子分布狀態(tài)，從而實現(xiàn)了OER催化性能的提升。

在理論計算過程中，使用密度泛函理論計算并輔以Hubbard-U模型（這個模型包含了色散相互作用：范德華力）來計算sAu/NiFe LDH催化劑在OER反應(yīng)中的活性。結(jié)果表明，Au的引入，很大程度上降低了材料的過電勢。通過對比sAu/NiFeOOH模型與sAu/NiFeOOH-NiFe LDH 模型的初試過電勢，發(fā)現(xiàn)LDH基底也幫助降低了過電勢，可能因為層板之間的CO32-離子幫助平衡氫氧化物的電荷，穩(wěn)定了表面形成的NiFeOOH層（NiFeOOH對于OER過程的中間體具有吸附能）。

圖1. （a）sAu/NiFe LDH的雙層夾板模型；（b）sAu/NiFe LDH在OER中的反應(yīng)路徑，OH*、O*與OOH*是反應(yīng)過程中的中間體；（c）sAu/NiFe LDH在OER反應(yīng)過程中的自由能示意圖。

為了驗證理論計算得到的初步結(jié)論，作者制備了擔(dān)載Au單原子的NiFe LDH催化劑。HADDF-STEM照片以及XANES的結(jié)果表明Au單原子的成功制備。ICP-MS給出了樣品中的元素含量：Ni/Fe=7.3，Au的量占據(jù)總量的0.4 wt%。

圖2. sAu/NiFe LDH的TEM照片（a），HADDF-STEM照片（b），EDS mapping圖片以及Au的L3-edge的XANES譜圖。

將所制備的sAu/NiFe LDH用于OER反應(yīng)測試其催化活性（圖3a）。當(dāng)電流密度在10mA/cm2的時候，sAu/NiFe LDH的過電勢在237mV，而所對比的NiFe LDH的過電勢高大263mV（圖3b）。循環(huán)2000次后，樣品的催化活性并沒有變化，表明催化劑超高的穩(wěn)定性。

那么反應(yīng)機理是什么樣的呢？

原位紅外光譜的測試表明，在OER反應(yīng)過程中，會有部分LDH轉(zhuǎn)化為氫氧化物，這與理論計算的結(jié)果相同。所形成的氫氧化物是OER反應(yīng)的活性物種，而且在反應(yīng)結(jié)束后也并不會再變回LDH。

圖3. （a）. sAu/NiFe LDH、NiFe LDH和Ti mesh在1M KOH中的循環(huán)伏安曲線（CV）；（b）過電勢與塔菲爾斜率；（c）循環(huán)2000次前后的極化曲線以及不同時間下的電流密度曲線；（d）不同電勢下催化劑的拉曼光譜。

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