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| 中國海洋大學在電解（海）水制氫材料研究領域取得新進展 |
| http://www.ts1069.com 2025年7月24日 來源：華禹教育網 |
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近日，中國海洋大學材料科學與工程學院黃明華教授團隊在電解（海）水制氫材料開發領域取得新進展。團隊基于缺陷驅動的逐步活化策略，以精確調控吸附微環境中金屬活性中心3d軌道和和氧2p軌道的雜化，從而實現了OER催化活性中心與反應中間體之間電荷轉移效率的顯著提高, 相關研究成果“Defect-Driven Stepwise Activation of Metal–Organic Frameworks toward Industrial-Level Anion Exchange Membrane Water Electrolysis ”（缺陷驅動MOF逐步活化用于商業級陰離子交換膜堿性電解槽）發表于國際頂尖期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）。團隊基于金屬原子磁矩作為關聯描述符，建立與氯離子（Cl⁻）吸附能及反應相關中間體結合能的相互作用關系，實現了高效寬溫海水電解，相關研究成果“Magnetic Moment Descriptor-Guided Multifunctional Co Single-atom Catalysts Enable Wide-Temperature Uninterrupted Seawater Splitting”（磁矩描述符引導多功能Co單原子催化劑實現寬溫域海水電解）發表于國際頂尖期刊《先進材料》（Advanced Materials）。
開發電解（海）水制氫等清潔高效的能源轉換技術，是構建綠色氫能經濟的重要途徑。電解過程中涉及的析氧反應（OER）與氧還原反應（ORR）作為核心電極反應，均伴隨著復雜的多質子-多電子轉移過程，其緩慢的動力學特性成為限制整體效率的關鍵瓶頸。因此，開發高效穩定的低成本電催化材料迫在眉睫。當前廣泛應用的貴金屬基催化劑（如Pt/C與RuO₂）雖然具有優異的本征催化活性，但其資源稀缺性、高昂成本及較差的穩定性，已成為制約電解（海）水制氫技術發展的主要障礙。
圖1 D-CoFc-MOF催化劑的局域配位環境以及電子結構研究
針對上述挑戰，黃明華教授課題組通過調控橋聯配體1,1-二茂鐵二甲酸（Fc）與二茂鐵二甲酸（Fc'）的配比，與鈷離子配位制備了缺陷型Co基金屬有機框架材料（D-CoFc-MOF）。該催化劑在OER過程中表現出從初始金屬有機框架結構出發，經過中間態α-FeOOH，最終轉變為高活性CoFeOOH相的動態演變過程。理論計算及原位光譜分析表明，缺陷的引入有效調節了催化材料的局域配位環境和電子結構，顯著增強了Co活性中心與關鍵中間體OOH*的吸附能力，降低了決速步驟的反應能壘。基于該催化劑構建的陰離子交換膜電解槽（AEMWE）在60°C和1 A/cm²電流密度條件下穩定運行超過300小時，展現出優異的催化活性與長期穩定性。
同時，針對復雜電解海水應用環境中氯離子（Cl⁻）的腐蝕問題，課題組引入磁矩描述符指導催化劑篩選與設計，利用第二配位殼層陰離子工程調控過渡金屬單原子CoN₄結構（CoN₄-X，X = B/O/F/P/S/Cl）。密度泛函理論計算表明，通過X陰離子的配位可以精確調節CoN₄中心的自旋態，建立了磁矩與Cl⁻吸附能及相關催化反應中間體吸附能之間的火山型關系。位于火山曲線頂點的CoN₄-B構型催化劑顯著降低了Cl⁻吸附能，展現出優異的電解海水催化活性及穩定性。值得注意的是，該催化劑還實現了從-30°C至60°C寬溫區間內的持續高效產氫，最大氫氣產率達到853 μmol/h。
圖2 磁矩描述符引導CoN₄-B構型催化劑設計以及與反應中間體結合能關系探究
上述研究深化了對金屬有機框架材料構效關系的認識，拓展了過渡金屬原子級催化劑的設計理念，為電解（海）水制氫技術的持續發展提供了重要支撐。該系列研究工作獲得了國家自然科學基金、國際（地區）合作與交流項目和山東省自然科學基金等支持，并與中科院青島生物能源與過程研究所、中科院長春應用化學研究所等單位合作完成，中國海洋大學為第一通訊作者單位。
通訊員：張燦輝
文章鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202504476
https://doi.org/10.1002/anie.202503787
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