新策略让催化剂稳定与活性“双赢” | 科技前线

绿色低碳发展，对传统能源向清洁能源转型提出了迫切需求，可再生能源驱动的电解水反应器是实现清洁能源高效利用的重要途径。

电催化水氧化作为核心电极反应，是一个能耗高且动力学缓慢的复杂过程，需要高效的催化剂降低反应能垒。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所联合华中科技大学、上海交通大学、奥克兰大学等，提出了一种高活性水氧化催化剂稳定策略，在不降低活性的前提下，解决了现有过渡金属基碱性水氧化催化剂，在大电流下活性和稳定性无法兼顾的难题。

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新策略构建新型催化剂

目前的过渡金属基碱性水氧化催化剂虽然活性较好，但在强氧化、大电流的水氧化催化过程中，金属活性位点会因为过度氧化而发生结构畸变，继而引发活性相溶解、脱落。

因此，设计开发高活性与高稳定性兼得的碱性水氧化催化剂意义重大，但面临巨大挑战。

▲MOF@POM超结构（A）及结构解析（B）。

针对上述问题，研究团队创新性的提出了多酸接枝固定水氧化活性位点设计方法，首次制备出了高效多酸接枝的单层钴铁氢氧化物超结构水氧化催化剂。

团队首先通过定向接枝方法，将二维钴铁金属有机骨架（CoFe-MOF）与多金属氧酸盐（Ni-POM）组装，获得多酸接枝的金属有机骨架（MOF@POM）超结构。

在电催化水氧化过程中，该超结构中CoFe-MOF原位转化重构为单层钴铁氢氧化物（CoFe-LDH），并通过Ni-O桥以共价键与POM连接。

▲MOF@POM的原位转变过程以及结构分析。

研究人员进一步研究，揭示了包括钴、铁活性位点和镍、钨调控位点在内的多位点协同、功能集成的稳定性设计新原理。

原位电化学谱学研究发现，该结构中钴和铁位点作为活性中心，其价态不断升高，而镍氧桥和钨氧骨架作为配位调节基元，其价态规律振荡。多酸出色的氧化还原特性，有效解决了现有水氧化金属活性位点氧化还原不可逆调控难题。

实验结合理论进一步证实，Ni-O桥通过晶格应变释放稳定Co/Fe催化活性位点，多酸中金属W价态振荡（W5+/6+）动态调控电子密度。同时多酸基元协同降低氧活化能垒，形成应力-电子双层维度稳定机制，从而突破了传统催化剂的性能瓶颈。

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应用前景广阔

该催化剂在碱性电解液中表现出优异的催化活性： 10mA/cm²电流密度下过电位仅为178mV，显著优于各类过渡金属基催化剂。

▲MOF@POM的活性和实际运行中的稳定性（A-C）。该工作和其他已报道的碱性阴离子膜电解水电解槽的参数对比以及经济效应分析（D-E）。

进一步集成于阴离子交换膜（AEM）电解槽时： 在80℃、3A/cm 2 条件下槽压仅为1.78V； 室温条件下在2A/cm 2 高电流密度下连续运行5140小时，电解槽的衰减速率仅为0.02mV/h，60°C高温下亦可稳定运行2000多小时，综合性能优于现有过渡金属基催化材料。

该研究不仅开发出了一种新型高性能电催化水氧化催化剂，还为高活性高稳定性电催化剂设计研究提供了新范式，推动了碱性电解水技术向高电流、低能耗方向发展。

相关论文链接：

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

来源：中国科学院上海硅酸盐研究所

责任编辑：宋同舟