綠色低碳發展，對傳統能源向清潔能源轉型提出了迫切需求，可再生能源驅動的電解水反應器是實現清潔能源高效利用的重要途徑。

電催化水氧化作為核心電極反應，是一個能耗高且動力學緩慢的復雜過程，需要高效的催化劑降低反應能壘。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所聯合華中科技大學、上海交通大學、奧克蘭大學等，提出了一種高活性水氧化催化劑穩定策略，在不降低活性的前提下，解決了現有過渡金屬基堿性水氧化催化劑，在大電流下活性和穩定性無法兼顧的難題。

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新策略構建新型催化劑

目前的過渡金屬基堿性水氧化催化劑雖然活性較好，但在強氧化、大電流的水氧化催化過程中，金屬活性位點會因為過度氧化而發生結構畸變，繼而引發活性相溶解、脫落。

因此，設計開發高活性與高穩定性兼得的堿性水氧化催化劑意義重大，但面臨巨大挑戰。

▲MOF@POM超結構（A）及結構解析（B）。

針對上述問題，研究團隊創新性的提出了多酸接枝固定水氧化活性位點設計方法，首次制備出了高效多酸接枝的單層鈷鐵氫氧化物超結構水氧化催化劑。

團隊首先通過定向接枝方法，將二維鈷鐵金屬有機骨架（CoFe-MOF）與多金屬氧酸鹽（Ni-POM）組裝，獲得多酸接枝的金屬有機骨架（MOF@POM）超結構。

在電催化水氧化過程中，該超結構中CoFe-MOF原位轉化重構為單層鈷鐵氫氧化物（CoFe-LDH），并通過Ni-O橋以共價鍵與POM連接。

▲MOF@POM的原位轉變過程以及結構分析。

研究人員進一步研究，揭示了包括鈷、鐵活性位點和鎳、鎢調控位點在內的多位點協同、功能集成的穩定性設計新原理。

原位電化學譜學研究發現，該結構中鈷和鐵位點作為活性中心，其價態不斷升高，而鎳氧橋和鎢氧骨架作為配位調節基元，其價態規律振蕩。多酸出色的氧化還原特性，有效解決了現有水氧化金屬活性位點氧化還原不可逆調控難題。

實驗結合理論進一步證實，Ni-O橋通過晶格應變釋放穩定Co/Fe催化活性位點，多酸中金屬W價態振蕩（W5+/6+）動態調控電子密度。同時多酸基元協同降低氧活化能壘，形成應力-電子雙層維度穩定機制，從而突破了傳統催化劑的性能瓶頸。

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應用前景廣闊

該催化劑在堿性電解液中表現出優異的催化活性： 10mA/cm2電流密度下過電位僅為178mV，顯著優于各類過渡金屬基催化劑。

▲MOF@POM的活性和實際運行中的穩定性（A-C）。該工作和其他已報道的堿性陰離子膜電解水電解槽的參數對比以及經濟效應分析（D-E）。

進一步集成于陰離子交換膜（AEM）電解槽時： 在80℃、3A/cm 2 條件下槽壓僅為1.78V； 室溫條件下在2A/cm 2 高電流密度下連續運行5140小時，電解槽的衰減速率僅為0.02mV/h，60°C高溫下亦可穩定運行2000多小時，綜合性能優于現有過渡金屬基催化材料。

該研究不僅開發出了一種新型高性能電催化水氧化催化劑，還為高活性高穩定性電催化劑設計研究提供了新范式，推動了堿性電解水技術向高電流、低能耗方向發展。

相關論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads1466

來源：中國科學院上海硅酸鹽研究所

責任編輯：宋同舟