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2025年4月25日，中國科學院上海硅酸鹽研究所嚴雅研究員聯(lián)合華中科技大學、上海交通大學、奧克蘭大學等，在水氧化催化劑研究方面取得突破，在Science上發(fā)表題為“Polyoxometalated metal-organic framework superstructure for stable water oxidation”的研究成果(論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads1466)，報道了一種高活性水氧化催化劑穩(wěn)定策略，在不降低活性的前提下，解決了現(xiàn)有過渡金屬基堿性水氧化催化劑在大電流下活性和穩(wěn)定性無法兼顧的難題。中國科學院上海硅酸鹽研究所博士生岳楷航為論文第一作者，奧克蘭大學博士生陸瑞虎和廈門大學高銘濱副教授為論文共同第一作者。

隨著碳中和時代的到來，綠色低碳化對傳統(tǒng)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(xiàn)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，因此需要高效的催化劑降低反應能壘。目前報道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(fā)生結構畸變，繼而引發(fā)活性相溶解、脫落。因此，瞄準電解水能源轉換技術應用水平，設計開發(fā)高活性與高穩(wěn)定性兼得的堿性水氧化催化劑意義重大但仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

針對上述問題，研究團隊創(chuàng)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。該方法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。研究人員進一步揭示了包括鈷、鐵活性位點和鎳、鎢調控位點在內的多位點協(xié)同、功能集成的穩(wěn)定性設計新原理。原位電化學譜學研究發(fā)現(xiàn)，該結構中鈷和鐵位點作為活性中心其價態(tài)不斷升高，而鎳氧橋和鎢氧骨架作為配位調節(jié)基元其價態(tài)規(guī)律振蕩，多酸出色的氧化還原特性有效解決了現(xiàn)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(wěn)定Co/Fe催化活性位點，多酸中金屬W價態(tài)振蕩（W⁵⁺/⁶⁺）動態(tài)調控電子密度；同時多酸基元協(xié)同降低氧活化能壘，形成應力-電子雙層維度穩(wěn)定機制，從而突破了傳統(tǒng)催化劑的性能瓶頸。

該催化劑在堿性電解液中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性：10 mA/cm2 電流密度下過電位僅為 178 mV，顯著優(yōu)于各類過渡金屬基催化劑。進一步集成于陰離子交換膜（AEM）電解槽時：在 80℃、3 A/cm2 條件下槽壓僅為 1.78 V，低于美國能源局（DOE）設定的2025年工業(yè)化標準；室溫條件下在2A/cm2高電流密度下連續(xù)運行5,140小時，電解槽的衰減速率僅為0.02 mV/h，60℃高溫下亦可穩(wěn)定運行2000多小時，綜合性能遠超目前報道過渡金屬基催化材料。

該研究不僅開發(fā)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(wěn)定性電催化劑設計研究提供了新范式，更推動了堿性電解水技術向高電流、低能耗方向發(fā)展。

該研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、上海市自然科學基金、上海市青年科技啟明星計劃等項目的資助和支持。

論文鏈接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads1466

MOF@POM超結構（A）及結構解析（B）。

MOF@POM的活性和實際運行中的穩(wěn)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(shù)對比以及經(jīng)濟效應分析（D-E）。

MOF@POM的原位轉變過程以及結構分析。

理論計算解釋結構穩(wěn)定性、抗溶解能力，以及對催化劑壽命的預測。