电解水制氢是一种非常极具前景的储能技术，其被广泛得用于储存风能、太阳能等间歇性能源。它由两种电化学反应构成，分别为发生在阴极的析氢反应(HER)和发生在阳极的析氧反应(OER)。与 HER 相比，驱动OER需要更高的过电势，这源于其缓慢的四电子-质子转移过程。因此，提升OER电催化活性，以降低电催化产氧反应所需的电压，是当前众多科研工作者努力的方向。

10月26日，来自新加坡国立大学(NUS)材料系的薛军民教授研究团队与新加坡科技研究局化学、能源和环境可持续性研究所席识博博士，新加坡科技局超算研究所余志根博士以及新加坡国立大学机械系王浩教授合作发表论文，他们偶然发现，光可在一种广泛用于水电解制氢的催化材料内触发一种新机制，使水电解制氢变得更节能更高效，最新研究有望开辟更有效的新型工业制氢方法。

这项工作以“Pivotal role of reversible NiO6 geometric conversion in oxygen evolution”为题发表在期刊《Nature》上，论文第一作者为王晓鹏博士。

目前OER反应存在两种机制：

(1)费米能级附近电子态表现金属特性时，金属作为氧化还原中心的吸附机理(AEM);

(2)费米能级附近电子态表现为氧时，氧作为氧化还原中心的晶格氧机理(LOM)，如图1 所示。

图1 现有的两种OER催化机制。(a)费米能级附近电子态表现金属特性时，金属作为氧化还原中心的吸附机理(Adsorbate evolution mechanism, AEM);(b)费米能级附近电子态表现为氧时，氧作为氧化还原中心的晶格氧机理(Lattice oxygen oxidation mechanism, LOM)。图源Nature

截至现在，文献报道的OER机理都是基于这两种机制。然而，当OER反应遵循AEM机制时(即金属作为氧化还原中心)，氧-氧成键非常难;当OER反应遵循LOM机制时(即氧作为氧化还原中心)，去质子化过程很缓慢，这两者直接制约着OER催化剂进一步的发展。为了提升OER电催化活性，急需在理论层面有所创新，突破现有的OER机制。

在此背景下，薛军民教授团队偶然发现了这一机制。研究人员发现，在黑暗中进行的水电解实验中，一种氢氧化镍基材料的性能急剧下降。薛军民说：“以前没有人注意到这种材料的性能下降，因为从来没有人在黑暗中做过实验。而且文献表明，这种材料不应对光敏感，是否有光也不应对其性能产生任何影响，但现实却并非如此。”

为深入研究这种现象背后的机制，薛军民教授团队重复了这一实验，并获得了同样的结果。基于这一发现，他们目前正在设计一种新方法来改进氢气生产的工业流程，如让包含水的电池透明以便将光引入水电解过程，“这将使水电解过程所需能量更少，而且，使用自然光应该更容易，可在更短时间内产生更多氢气，消耗更少能量。”

图2 COM机制。图源Nature

团队发现的这种光触发的新型OER机制(COM)不同于现有的AEM和LOM机制，当催化反应遵循COM时，金属和氧交替得作为氧化还原中心：去质子化过程中金属为氧化还原中心，O-O成键时氧为氧化还原中心。因此，COM机制能够突破现有OER机制的弊端，进一步提升催化性能。实验表明，COM机制能够大幅度提升析氧性能，使10mA·cm-2过电势最低降低至135mV，这是目前该领域报道的最好性能之一。

总的来说，本工作首次报道了一种光触发的新型OER机制(COM)，该机制能够突破传统OER机制的弊端，进一步提升催化性能。该工作为OER研究提供了新的思路，有望推动目前处于“死胡同“的OER领域进一步发展。同时，该项研究所报道的光与电催化剂新型作用机制，提供了新的利用太阳能方式，为更加有效利用太阳能提供了新的认识和研究策略。