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| 中國海洋大學(xué)在電解（海）水制氫材料研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展 |
| http://www.telavivconventioncenter.com 2025年7月24日 來源：華禹教育網(wǎng) |
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近日，中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院黃明華教授團(tuán)隊(duì)在電解（海）水制氫材料開發(fā)領(lǐng)域取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)基于缺陷驅(qū)動(dòng)的逐步活化策略，以精確調(diào)控吸附微環(huán)境中金屬活性中心3d軌道和和氧2p軌道的雜化，從而實(shí)現(xiàn)了OER催化活性中心與反應(yīng)中間體之間電荷轉(zhuǎn)移效率的顯著提高, 相關(guān)研究成果“Defect-Driven Stepwise Activation of Metal–Organic Frameworks toward Industrial-Level Anion Exchange Membrane Water Electrolysis ”（缺陷驅(qū)動(dòng)MOF逐步活化用于商業(yè)級(jí)陰離子交換膜堿性電解槽）發(fā)表于國際頂尖期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）。團(tuán)隊(duì)基于金屬原子磁矩作為關(guān)聯(lián)描述符，建立與氯離子（Cl⁻）吸附能及反應(yīng)相關(guān)中間體結(jié)合能的相互作用關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了高效寬溫海水電解，相關(guān)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(dǎo)多功能Co單原子催化劑實(shí)現(xiàn)寬溫域海水電解）發(fā)表于國際頂尖期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。
開發(fā)電解（海）水制氫等清潔高效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，是構(gòu)建綠色氫能經(jīng)濟(jì)的重要途徑。電解過程中涉及的析氧反應(yīng)（OER）與氧還原反應(yīng)（ORR）作為核心電極反應(yīng)，均伴隨著復(fù)雜的多質(zhì)子-多電子轉(zhuǎn)移過程，其緩慢的動(dòng)力學(xué)特性成為限制整體效率的關(guān)鍵瓶頸。因此，開發(fā)高效穩(wěn)定的低成本電催化材料迫在眉睫。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的貴金屬基催化劑（如Pt/C與RuO₂）雖然具有優(yōu)異的本征催化活性，但其資源稀缺性、高昂成本及較差的穩(wěn)定性，已成為制約電解（海）水制氫技術(shù)發(fā)展的主要障礙。
圖1 D-CoFc-MOF催化劑的局域配位環(huán)境以及電子結(jié)構(gòu)研究
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，黃明華教授課題組通過調(diào)控橋聯(lián)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(jī)框架材料（D-CoFc-MOF）。該催化劑在OER過程中表現(xiàn)出從初始金屬有機(jī)框架結(jié)構(gòu)出發(fā)，經(jīng)過中間態(tài)α-FeOOH，最終轉(zhuǎn)變?yōu)楦呋钚訡oFeOOH相的動(dòng)態(tài)演變過程。理論計(jì)算及原位光譜分析表明，缺陷的引入有效調(diào)節(jié)了催化材料的局域配位環(huán)境和電子結(jié)構(gòu)，顯著增強(qiáng)了Co活性中心與關(guān)鍵中間體OOH*的吸附能力，降低了決速步驟的反應(yīng)能壘�；谠摯呋瘎�(gòu)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(wěn)定運(yùn)行超過300小時(shí)，展現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性與長期穩(wěn)定性。
同時(shí)，針對(duì)復(fù)雜電解海水應(yīng)用環(huán)境中氯離子（Cl⁻）的腐蝕問題，課題組引入磁矩描述符指導(dǎo)催化劑篩選與設(shè)計(jì)，利用第二配位殼層陰離子工程調(diào)控過渡金屬單原子CoN₄結(jié)構(gòu)（CoN₄-X，X = B/O/F/P/S/Cl）。密度泛函理論計(jì)算表明，通過X陰離子的配位可以精確調(diào)節(jié)CoN₄中心的自旋態(tài)，建立了磁矩與Cl⁻吸附能及相關(guān)催化反應(yīng)中間體吸附能之間的火山型關(guān)系。位于火山曲線頂點(diǎn)的CoN₄-B構(gòu)型催化劑顯著降低了Cl⁻吸附能，展現(xiàn)出優(yōu)異的電解海水催化活性及穩(wěn)定性。值得注意的是，該催化劑還實(shí)現(xiàn)了從-30°C至60°C寬溫區(qū)間內(nèi)的持續(xù)高效產(chǎn)氫，最大氫氣產(chǎn)率達(dá)到853 μmol/h。
圖2 磁矩描述符引導(dǎo)CoN₄-B構(gòu)型催化劑設(shè)計(jì)以及與反應(yīng)中間體結(jié)合能關(guān)系探究
上述研究深化了對(duì)金屬有機(jī)框架材料構(gòu)效關(guān)系的認(rèn)識(shí)，拓展了過渡金屬原子級(jí)催化劑的設(shè)計(jì)理念，為電解（海）水制氫技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供了重要支撐。該系列研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金、國際（地區(qū)）合作與交流項(xiàng)目和山東省自然科學(xué)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(yīng)用化學(xué)研究所等單位合作完成，中國海洋大學(xué)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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