如何区分OER的AEM和LOM?

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引言

如何区分OER的AEM和LOM?
如何区分OER的AEM和LOM?

OER 机理常被写成 AEMLOM,但这两个缩写不是两种叫法而已。AEM 主要让 *OH、*O、*OOH 这些吸附态在金属位点上逐步演化;LOM 则让晶格氧真正参与 O—O 键形成,并伴随氧空位、氧补位或晶格氧氧化还原。AEM 看吸附中间体怎样演化,LOM 看晶格氧是否进入反应循环

很多 OER 体系并不是纯 AEM 或纯 LOM,而是在不同电位、氧缺陷浓度、表面重构程度下发生机理切换。用 VASP 判断时,不能只算一条 *OH → *O → *OOH → O2 路径就宣布排除了 LOM;也不能只看到氧空位形成能低,就直接说走 LOM。

如何区分OER的AEM和LOM?
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AEM 先回答什么?

如何区分OER的AEM和LOM?
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AEM 的核心是吸附态逐步长大

AEM 全称 adsorbate evolution mechanism。它把活性位写成 *,让 H2O 或 OH 先形成 *OH,再脱氢成 *O,随后与水或 OH 生成 *OOH,最后释放 O2 并回到空位点。整个过程的氧原子主要来自吸附物,晶格氧通常作为配位环境存在。

ηOER = max(ΔG1, ΔG2, ΔG3, ΔG4) / e − 1.23 V 式(1)

AEM 适合多数金属位点、单原子位点和常规氧化物表面自由能分析。它的优势是路径清楚、参照统一,容易得到限制步和过电位;局限是 *OH、*O、*OOH 之间存在标度关系,理论活性常被 *OOH 与 *OH 的能量差限制。

如何区分OER的AEM和LOM?

图1 不同氧缺陷浓度下 OER 机理在 LOM 与 AEM 之间切换的模式示例,说明机理并非固定不变。DOI:10.1126/sciadv.abq3563

AEM 结果要看哪些量?

最基础的是四步 ΔG、限制步和 ηOER。进一步可以看 *OH、*O、*OOH 的吸附构型、M—O 键长、金属价态、PDOS 中 M d 与 O p 的杂化,以及差分电荷密度。若 *OOH 稳定性过差,通常会表现为第三步台阶过高。

但 AEM 的计算结果只能证明这条吸附态路径是否可行,不能自动排除 LOM。若材料有强金属-氧共价性、氧空位容易生成、O 2p 态靠近费米能级,或者实验中有晶格氧参与证据,就要考虑 LOM 候选路径。

如何区分OER的AEM和LOM?
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LOM 到底多了哪一步?

如何区分OER的AEM和LOM?
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晶格氧不只是旁观配位原子

LOM 全称 lattice oxygen mechanism。它的关键不是表面有氧,而是晶格氧参与 O—O 键形成或氧化还原循环。简单说,AEM 中 O—O 键通常由 *O 和来自水/OH 的氧形成;LOM 中,表面晶格 Olat 可以和吸附氧物种成键,释放 O2 后留下 VO,再由水或 OH 补回。

Olat + *O → O2 + VO + * 式(2)

式(2)只是一个简化表达,实际路径可能经过 *OOlat、*OOHlat 或表面过氧物种。判断 LOM 时要看晶格氧是否进入产物相关步骤,以及氧空位是否能在反应条件下被补回。LOM 的核心证据是晶格氧进入反应循环,而不是表面存在氧空位

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图2 氧缺陷含量调控 OER 机理切换的来源示意,展示氧缺陷、活性和 AEM/LOM 之间的关系。DOI:10.1126/sciadv.abq3563

LOM 为什么可能突破标度关系?

AEM 中 *OOH 的形成常受 *OH/*O/*OOH 标度关系限制;LOM 让晶格氧参与 O—O 键形成,可能绕开部分吸附态标度关系。对于强共价氧化物、高价过渡金属氧化物和部分钙钛矿/尖晶石体系,氧 2p 态上移后,晶格氧更容易被氧化,LOM 可能变得可行。

不过,LOM 也可能带来稳定性代价。晶格氧若太容易脱出,材料可能发生表面重构、金属溶出或结构塌陷。活性提升和结构保持必须一起判断。

如何区分OER的AEM和LOM?
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什么时候要考虑晶格氧参与?

如何区分OER的AEM和LOM?
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先看材料是否具备氧活化条件

可以从四类信号开始判断。第一,O 2p 带中心较高,接近费米能级,说明晶格氧更容易参与氧化还原;第二,M—O 共价性强,金属和氧之间电子耦合明显;第三,氧空位形成能较低,表面氧更容易被移走;第四,反应后出现可逆氧空位、同位素氧交换或表面重构。

VASP 里可以先算 AEM 路径,再补算 VO 形成能、晶格氧相关 O—O 成键构型和补氧步骤。若 LOM 路径自由能更低,且氧空位不会导致不可逆结构损坏,才适合说 LOM 可能参与。

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图3 MoZn 基高熵合金在 OER 中同时激活 AEM 和 LOM 的设计示意,说明两类路径可能协同存在。DOI:10.1126/sciadv.adq6758

只看氧空位形成能够不够?

不够。Eform(VO) 低说明晶格氧更容易离开,但 LOM 还要求这个空位能够在反应条件下被补回,并且 O—O 成键步骤热力学或动力学可行。若氧空位形成后表面不可逆重构,或者补氧步骤很难,低形成能反而可能表示结构不稳定。

Eform(VO) = Eslab−O − Eslab + μO 式(3)

因此,判断晶格氧参与至少要看三件事:晶格氧成键步骤、氧空位形成/补位代价、反应后结构是否仍可恢复。LOM 不是把氧空位形成能算低就结束,而是要闭合晶格氧参与和再生的循环

如何区分OER的AEM和LOM?
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VASP 里怎样拆两条路径?

如何区分OER的AEM和LOM?
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AEM 路径保持常规四步

AEM 可按 *OH、*O、*OOH、O2 四步整理。模型上要固定同一个活性位,保持覆盖度、溶剂处理、电位和 pH 口径一致。若 *OOH 优化后断 O—O 键、迁移到邻位或质子转移到晶格氧,说明它已经偏离普通 AEM,需要重新定义中间体。

LOM 路径则要显式选择一个 Olat,构建它与吸附氧形成 O—O 键的候选态,并计算释放 O2 后的 VO 状态,再加入补氧或补 OH 步骤。每一步都要检查被选中的晶格氧是否仍属于同一局域位点。

如何区分OER的AEM和LOM?

图4 MoZnFeCoNiOOH 中 AEM/LOM 活性位、自由能和 O 2p 态分析示例,展示 DFT 如何拆分两类 OER 路径。DOI:10.1126/sciadv.adq6758

怎样避免把表面重构误写成 LOM?

表面重构不等于 LOM。重构可能只是形成羟氧化物工作层,也可能伴随金属溶出或氧空位迁移。只有当晶格氧参与 O—O 成键并进入产物相关循环时,才是 LOM 证据。若结构优化后只是 *OH 改变了吸附位点,还不能写成晶格氧机制。

可以用同位素氧交换、原位谱学、氧空位再生能和 DFT 路径共同判断。单独一张差分电荷图或单个低 Eform(VO) 数字,支撑力度都不够。

如何区分OER的AEM和LOM?

图5 Ce-NiCo2O4 中晶格氧活化相关的差分电荷密度、PDOS 和 OER 路径分析,展示电子结构证据如何辅助 LOM 判断。DOI:10.1002/anie.202415306

如何区分OER的AEM和LOM?
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结果怎样写才不越界?

如何区分OER的AEM和LOM?
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AEM 和 LOM 可以并存

更好的表述不是“该材料一定走 LOM”,而是“在给定表面、覆盖度和电位口径下,LOM 候选路径的关键台阶低于 AEM,且氧空位形成与补位能量可接受”。如果 AEM 和 LOM 自由能相近,可以写成两条路径竞争或并存。

如果只是 O 2p 态靠近费米能级,可以写“具备晶格氧活化倾向”;如果氧空位形成能较低,可以写“晶格氧更容易参与迁移或脱出”;只有当 O—O 成键、VO 生成和补位闭环都算清楚时,才适合明确讨论 LOM 主导。

催化活性和结构稳定要一起看

LOM 可能降低 OER 过电位,也可能带来结构风险。若晶格氧过度活化,材料可能在高电位下持续失氧、重构或溶出。对 VASP 数据来说,不能只给最低自由能路径,还应给出重构后结构、氧空位形成能、补氧能和关键键长变化。

如果体系经历明显表面重构,还应区分“原始晶格氧参与”和“重构后羟氧化物层参与”。前者讨论的是初始晶格中的 Olat 进入循环,后者讨论的是工作表面生成后的新氧位点。两者都可能表现出晶格氧相关信号,但对应的模型参照不同:一个要从原始氧化物 slab 出发,一个要先建立重构工作层再计算 OER 路径。

因此,AEM 和 LOM 的判定最好同时看路径闭合、氧空位恢复、O—O 成键来源和表面结构是否保持。若只看到某一步能垒低,还不能直接说走 LOM;只有当晶格氧参与、空位能够被 OH 或 H2O 合理补回,并且循环后活性位没有完全失去定义时,LOM 才更像可讨论的催化机制。

如何区分OER的AEM和LOM?
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本章要点总结

如何区分OER的AEM和LOM?
如何区分OER的AEM和LOM?

要点一:AEM 关注 *OH、*O、*OOH 吸附态逐步演化,LOM 关注晶格氧参与 O—O 成键和再生循环。

要点二:氧空位形成能低不等于一定走 LOM,还要看 O—O 成键、补氧步骤和结构可逆性。

要点三:AEM 与 LOM 可能随电位、氧缺陷浓度和表面重构发生切换,不一定是非此即彼。

要点四:讨论 LOM 时要同时给出活性收益和结构稳定性边界。

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