析氧反應(yīng)(OER)作為電催化系統(tǒng)的一種重要陽極反應(yīng)，能夠匹配陰極(如電化學(xué)析H₂、二氧化碳還原和N₂還原)來生成化學(xué)燃料和原料。然而，OER的多質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移(PCET)過程是一種惰性動力學(xué)過程，會導(dǎo)致較大的過電位，嚴(yán)重限制器件的能量轉(zhuǎn)換效率和實(shí)際應(yīng)用。

緩慢的動力學(xué)主要是由于在OER過程中產(chǎn)生了快-電子-慢-質(zhì)子不平衡，從而使OER的效率受到質(zhì)子轉(zhuǎn)移速率的控制；在質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程中，O?H鍵的激活和O?O鍵的形成阻礙了OER的電催化效率。因此，設(shè)計(jì)有效的OER催化劑來激活O?H鍵和平衡PCET過程是一項(xiàng)必要但極具有挑戰(zhàn)性的工作。

基于此，南開大學(xué)卜顯和和李娜等通過調(diào)節(jié)質(zhì)子轉(zhuǎn)移途徑，開發(fā)了一種具有優(yōu)越OER活性的光系統(tǒng)II(PSII)激發(fā)的鎳基電催化劑。

具體而言，研究人員以NiFe LDH作為催化劑平臺并模擬光系統(tǒng)II(PSII)，將TA^2?部分插入SCS(NF LDH/TA^2?)中(雙金屬活性中心(FeO₆和NiO₆)和對苯二甲酸陰離子(TA^2?)分別位于第一和第二配位球上)，大大提高了其催化活性和快速反應(yīng)動力學(xué)。

因此，在模擬工業(yè)條件下(堿性分離器，2.0 M KOH，60°C)，優(yōu)化后的NF LDH/TA^2?比商業(yè)催化劑具有更好的內(nèi)在催化活性。

理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TA^2?作為一種有效的質(zhì)子受體，其能夠與FeO₆/NiO₆結(jié)合并產(chǎn)生了質(zhì)子快速轉(zhuǎn)移到質(zhì)子結(jié)合中間體的協(xié)同效應(yīng)；TA^2?和KIEs從-COO^?到-COOH的電催化轉(zhuǎn)變證實(shí)了反應(yīng)中間體中質(zhì)子轉(zhuǎn)移途徑的改變，可以平衡反應(yīng)中間體的吸附/解離電位，克服OER緩慢的動力學(xué)。

綜上，該項(xiàng)工作展示了SCS效應(yīng)在增強(qiáng)OER活性方面的優(yōu)勢，并為進(jìn)一步合成人工水氧化光催化劑和通過SCS效應(yīng)構(gòu)建高效的電催化劑提供了思路。

Photosystem II Inspired NiFe-Based Electrocatalysts for Efficient Water Oxidation via Second Coordination Sphere Effect. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202300507