《科學》刊發華中科技大學化學與化工學院夏寶玉團隊最新合作研究成果

　　【儀表網 研發快訊】如何確保析氧反應(OER)催化劑在高電流密度下長期穩定運行，是實現綠氫制備和可再生能源轉換的關鍵挑戰。針對這一難題，我校化學與化工學院夏寶玉教授團隊創新性地提出“超結構自組裝-原位電化學重構”協同策略，為設計高效穩定的電解水催化劑提供了重要的理論依據。
 

　　近日，國際頂級學術期刊《科學》以研究長文形式刊發夏寶玉教授團隊與上海硅酸鹽研究所嚴雅研究員等人合作的最新研究成果“Polyoxometalated metal-organic framework superstructure for stable water oxidation”。
 

　　堿性水電解技術是實現綠氫制備和可再生能源轉換的關鍵途徑，但其工業化應用面臨析氧催化劑在高電流密度下穩定性不足的挑戰。目前廣泛研究的3d過渡金屬(氧)氫氧化物基催化劑在堿性條件下雖然表現出良好的催化活性，但在工業級大電流密度工況下，普遍存在活性位點溶解失活、異質相界面分離及催化劑層機械剝落等結構問題，嚴重制約了其規模化應用。盡管納米結構設計、異質元素摻雜等策略可以在一定程度上提升催化性能，但在兼顧高電流密度下的本征活性和長期運行穩定性方面仍存在顯著瓶頸。
 

　　針對上述挑戰，研究團隊創新性地提出金屬有機框架(MOF)與多金屬氧酸鹽(POM)協同構筑策略，并通過原位電化學轉化技術成功制備了MOF@POM復合催化劑。該設計充分利用了MOF的結構可調性與POM的電子調控優勢，在原子尺度構建了穩定的金屬-氧配位網絡，有效抑制了高電位下金屬活性中心的溶解失活。
 

圖1 MOF@POM超結構及表征。
 

　　研究發現，通過將二維CoFe-MOF與POM自組裝，可以構筑MOF@POM的超結構前體(圖1)。在電化學條件下，該前體發生相變，逐步轉化為單層CoFe (oxy)hydroxides(CoFe-LDH)，并牢固接枝在POM上。這種轉化過程不僅保留了預先設計的高活性金屬位點(Co、Fe)，也為后續水氧化反應提供了快速的電荷傳輸環境，從而克服了傳統金屬氫氧化物在高電流密度下容易溶解或剝落的難題。在電化學性能方面，這一催化劑在10 mA cm-2時僅需178 mV的過電位，展現出優異的活性。進一步將該催化劑應用于陰離子交換膜電解槽時，在80攝氏度下僅需1.78 V就能達到3 A cm-2的高電流密度。此外，在室溫條件下以2 A cm-2工作超過5140小時而性能幾乎無衰減，表明催化劑在高電流運行的條件下亦能保持的可靠性(圖2)。
 

　　圖2 (A-C)MOF@POM的活性和工況下的穩定性。(D-E)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。
 

　　通過原位電化學光譜與理論計算，研究人員進一步揭示了多元金屬協同作用的微觀機制：W/Ni原子在MOF/POM界面處構建了高效電子傳輸網絡，其中Ni原子既可作為電子緩沖層優化電荷分布，又能通過彈性形變有效緩解高電位下Co、Fe位點的晶格應力。這種多尺度協同效應使得催化劑在極端工況下仍能維持結構完整性，從而顯著提升了催化劑的整體活性與耐久性。
 

　　該研究通過精準調控MOF與POM的界面電子結構，成功實現了單原子層活性位點的空間限域與動態穩定。這種材料設計理念突破了傳統催化劑在工業級電流密度下的穩定性瓶頸。
 

　　夏寶玉教授和上海硅酸鹽研究所嚴雅研究員、上海交通大學黃富強教授、奧克蘭大學王子運教授、內蒙古大學張江威教授為本文的共同通訊作者，上海硅酸鹽研究所與華中科技大學聯合培養博士生岳楷航(碩博期間)、奧克蘭大學陸瑞虎博士和廈門大學高銘濱副教授為本文的共同第一作者。該研究工作得到了國家杰出青年科學基金以及華中科技大學等各方面的支持。