文章内容

本报讯 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，《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-organicframeworksuperstructureforstable water oxidation”。

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。

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。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10mAcm-2 时仅需 178mV 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 1.78V 就能达到 3 Acm-2 的高电 流 密 度 。 此 外 ，在 室 温 条 件 下 以2Acm-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卓越的可靠性。

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。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。

夏宝玉和严雅、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。 （化学与化工学院）