《科学》刊发华中科技大学化学与化工学院夏宝玉团队最新合作研究成果

　　【仪表网 研发快讯】如何确保析氧反应(OER)催化剂在高电流密度下长期稳定运行，是实现绿氢制备和可再生能源转换的关键挑战。针对这一难题，我校化学与化工学院夏宝玉教授团队创新性地提出“超结构自组装-原位电化学重构”协同策略，为设计高效稳定的电解水催化剂提供了重要的理论依据。
 

　　近日，国际顶级学术期刊《科学》以研究长文形式刊发夏宝玉教授团队与上海硅酸盐研究所严雅研究员等人合作的最新研究成果“Polyoxometalated metal-organic framework superstructure for stable water oxidation”。
 

　　碱性水电解技术是实现绿氢制备和可再生能源转换的关键途径，但其工业化应用面临析氧催化剂在高电流密度下稳定性不足的挑战。目前广泛研究的3d过渡金属(氧)氢氧化物基催化剂在碱性条件下虽然表现出良好的催化活性，但在工业级大电流密度工况下，普遍存在活性位点溶解失活、异质相界面分离及催化剂层机械剥落等结构问题，严重制约了其规模化应用。尽管纳米结构设计、异质元素掺杂等策略可以在一定程度上提升催化性能，但在兼顾高电流密度下的本征活性和长期运行稳定性方面仍存在显著瓶颈。
 

　　针对上述挑战，研究团队创新性地提出金属有机框架(MOF)与多金属氧酸盐(POM)协同构筑策略，并通过原位电化学转化技术成功制备了MOF@POM复合催化剂。该设计充分利用了MOF的结构可调性与POM的电子调控优势，在原子尺度构建了稳定的金属-氧配位网络，有效抑制了高电位下金属活性中心的溶解失活。
 

图1 MOF@POM超结构及表征。
 

　　研究发现，通过将二维CoFe-MOF与POM自组装，可以构筑MOF@POM的超结构前体(图1)。在电化学条件下，该前体发生相变，逐步转化为单层CoFe (oxy)hydroxides(CoFe-LDH)，并牢固接枝在POM上。这种转化过程不仅保留了预先设计的高活性金属位点(Co、Fe)，也为后续水氧化反应提供了快速的电荷传输环境，从而克服了传统金属氢氧化物在高电流密度下容易溶解或剥落的难题。在电化学性能方面，这一催化剂在10 mA cm-2时仅需178 mV的过电位，展现出优异的活性。进一步将该催化剂应用于阴离子交换膜电解槽时，在80摄氏度下仅需1.78 V就能达到3 A cm-2的高电流密度。此外，在室温条件下以2 A cm-2工作超过5140小时而性能几乎无衰减，表明催化剂在高电流运行的条件下亦能保持的可靠性(图2)。
 

　　图2 (A-C)MOF@POM的活性和工况下的稳定性。(D-E)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。
 

　　通过原位电化学光谱与理论计算，研究人员进一步揭示了多元金属协同作用的微观机制：W/Ni原子在MOF/POM界面处构建了高效电子传输网络，其中Ni原子既可作为电子缓冲层优化电荷分布，又能通过弹性形变有效缓解高电位下Co、Fe位点的晶格应力。这种多尺度协同效应使得催化剂在极端工况下仍能维持结构完整性，从而显著提升了催化剂的整体活性与耐久性。
 

　　该研究通过精准调控MOF与POM的界面电子结构，成功实现了单原子层活性位点的空间限域与动态稳定。这种材料设计理念突破了传统催化剂在工业级电流密度下的稳定性瓶颈。
 

　　夏宝玉教授和上海硅酸盐研究所严雅研究员、上海交通大学黄富强教授、奥克兰大学王子运教授、内蒙古大学张江威教授为本文的共同通讯作者，上海硅酸盐研究所与华中科技大学联合培养博士生岳楷航(硕博期间)、奥克兰大学陆瑞虎博士和厦门大学高铭滨副教授为本文的共同第一作者。该研究工作得到了国家杰出青年科学基金以及华中科技大学等各方面的支持。