導讀

近日，東北師范大學化學學院院長朱廣山教授團隊的常進法教授、邢子豪副教授在能源小分子電催化領域取得系列重要進展。能源是人類文明和工業發展的動力，也是國民經濟的關鍵支撐。傳統化石燃料能源的快速消耗不僅加劇了全球能源危機，同時導致了嚴重的溫室效應和環境污染。在我國“雙碳”目標的指引下，推動清潔電化學能源存儲和轉化技術的發展，如電解池、金屬-空氣電池、燃料電池等，將為人類擺脫對傳統化石能源的依賴、實現可持續能源轉型提供重要途徑。然而，電化學能源在大規模應用過程中仍面臨諸多瓶頸，重點體現在電極材料性能有限、活性不足、穩定性差、資源依賴、能量轉換效率低、成本與規模化制造等。因此，設計開發具有低成本、高效率、長壽命的電極/催化劑材料是推動電化學能源存儲與轉化系統需要解決的主要問題。針對上述問題，團隊開發出系列適合電解水、金屬-空氣電池、超級電容器的高效穩定電極材料，相關成果先后發表于

J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.

圖1. 水電解析氧反應尖晶石催化劑的設計及電催化性能

電解水技術可綠色高效制取氫氣，作為電解水的陽極半反應，氧氣析出反應（OER）高度依賴銥基貴金屬催化劑。過渡金屬氧化物電催化劑在酸性條件下進行OER時存在不穩定性問題，極大限制了它們在質子交換膜電解水（PEMWE）中的應用。為應對該挑戰，團隊將Co3O4中的部分Co替換為Ni和Ru調整其尖晶石結構（如圖1），充分利用Co3O4中四面體和八面體位點之間的協同作用增強OER電催化活性和穩定性。結果表明，Ru是雙原子氧機制中的活性位點，而Ni則穩定晶格氧和Ru?O鍵。NiRuCoOx催化劑表現出極低的OER過電位（166 mV@10 mA cm?2）。在PEMWE器件上達到3 A cm?2的電流密度僅需1.72 V，滿足美國能源部（DOE）設定的2026目標（<1.8 V@3 A cm?2）。PEMWE裝置可穩定運行1500小時，性能衰減率僅為0.025 mV h?1。該工作為開發低成本高效酸性水電解催化劑提供了可行借鑒，相關成果以“Tailoring octahedron-tetrahedron synergism in spinel catalysts for acidic water electrolysis”為題，發表于國際知名期刊J. Am. Chem. Soc.；論文第一作者為我校化學學院博士研究生霍孟田，通訊作者為我校化學學院常進法教授、邢子豪副教授以及美國中佛羅里大學楊陽教授。相關技術已經申請中國專利，申請號：202410593475X。此外，團隊在水電解方面的相關系列工作先后發表于Small, 2025, 13, 2412729; Nano Res. 2025, 18(3), 94907243; ChemCatChem, 2025, 17(6), e202401950, Green Carbon, 2024, 2 403-404等。

NH4+超級電容器由于其低成本、高安全性、環境可持續性和高效的電化學能量存儲能力，為未來的發展提供了較大潛力。目前的電極材料普遍存在層間距小、空間位阻大、充放電過程中活性位點與NH4+的可及率低，難以獲得高容量電荷儲存。此外，充放電過程中NH4+大量在層間運動，嚴重影響了電極材料穩定性。為此團隊首次利用富含端氧位點的keggin型多金屬氧酸鹽{PMo12}作為活性中心，通過將其穩定限制分散在小孔徑的Ag-BTC外表面，合成電極材料{PMo12}@Ag-BTC，實現NH4+與{PMo12}端氧位點的可及性，有效加快充放電的動力學過程。如圖2，{PMo12}@Ag-BTC作為電極材料表現出明顯的贗電容控制表界面儲能過程，1 A g-1電流密度下的電容值為619.4 mAh g-1。組裝的{PMo12}@Ag-BTC//{PW12}@Ag-BTC器件在20,000次循環測試中保持穩定，并在1.5 A g-1電流密度下獲得了125.3 Wh kg-1的能量密度。該工作為多金屬氧酸鹽在NH4+超級電容器電極材料設計方面提供了新思路。相關成果以“Interface Storage Mechanism in Aqueous Ammonium-Ion Supercapacitors with Keggin-type Polyoxometalates-Modified Ag-BTC”為題，發表于國際知名期刊Adv. Mater.；論文的第一作者為我校化學學院博士研究生梁宇；通訊作者為我校化學學院常進法教授、朱廣山教授以及邢子豪副教授。相關技術已經申請中國專利，申請號：202410593017.6。此外，團隊在超級電容器方面相關系列工作還發表于Green Carbon, 2024, 2, 320-321等。

圖2. {PMo12}@Ag-BTC 的合成及超級電容器性能

氧電催化，包括氧還原反應（ORR）和氧析出反應（OER），作為鋅空氣電池（ZABs）陰極充放電過程的主要反應，涉及四電子轉移過程，其反應動力學仍然受到極大限制。團隊開發了一種新型的FeADCoNPs@NC，該催化劑中的Fe具有兩種存在形式，嵌插于Co晶格中的原子分散位點和負載于N-C的Fe-N1位點。Co晶格中的Fe位點促進了鈷納米顆粒向無定形CoOOH的轉化，而Fe-N1則作為ORR的主要活性位點。當其作為鋅空氣電池的空氣電極使用時，FeADCoNPs@NC表現出247.49 mW cm?2的功率密度。該工作揭示了一種有效結合單原子位點與屬納米粒子之間的協同作用以高效提升氧電催化性能的方法。相關成果以“Synergistically Promoting Oxygen Electrocatalysis through the Precise Integration of Atomically-dispersed Fe Sites and Co Nanoparticles”為題，發表于國際知名期刊Adv. Energy Mater.；論文的第一作者為我校化學學院博士研究生霍孟田；通訊作者為我校化學學院常進法教授、朱廣山教授以及邢子豪副教授。相關技術已經申請中國專利，申請號：202410598685.8。此外，團隊在金屬-空氣電池方面的相關系列工作先后發表于Nano Res. 2025, 18(2), 94907195; J. Energy Chem., 2025, 104, 127-135; Sep. Purif. Technol, 2025, 361, 131644; Sci. China Mater., 2024, 67, 4005-4012等。

圖3. FeADCoNPs@NC的合成、表征及性能

以上研究成果得到基金委優青項目（海外）、重點項目、面上項目、青基項目、國家重點研發計劃、我校啟動基金等的大力支持。

常進法教授自2023年加入化學學院以來，作為通訊作者已在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等頂級期刊發表論文12篇，申請中國專利3項，獲批基金委面上項目、省科技廳面上項目等。此外，常進法教授先后獲第九屆中國電化學青年獎（2024年）、《Nano Research》期刊優秀編委（2024年）、《Green Carbon》期刊優秀青年編委（2024年）、Wiley SCINEXT青年獎（2024年）、中國化學會納米能源研究學術新星獎金獎（2023年），同時作為多酸與網格材料化學教育部重點實驗室的骨干成員，獲吉林省第三批高校“黃大年式教師團隊”等榮譽。

相關論文的鏈接網址：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c00665

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202415545

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202405155

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202412729

https://www.sciopen.com/article/10.26599/NR.2025.94907243

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586625002412

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095495625000087

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cctc.202401950

https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-024-3126-1

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950155524000570

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950155524000454

來源：東北師范大學化學學院