在綠氫制備領(lǐng)域，堿性電解水技術(shù)被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ穆窂街?。然而，其陽極析氧反應(yīng)（OER）涉及四電子轉(zhuǎn)移過程，動力學(xué)反應(yīng)遲緩，嚴(yán)重制約了整體水分解效率。尤其在復(fù)雜惡劣的海水環(huán)境中，不溶性雜質(zhì)與氯氧化反應(yīng)（ClOR）的疊加作用，進一步加劇了電極過電位升高和長期失活的風(fēng)險。如何突破這一技術(shù)瓶頸，成為推動綠氫產(chǎn)業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵。

燕山大學(xué)高發(fā)明教授、侯莉教授團隊近期取得突破性進展，設(shè)計開發(fā)了一種鐵與氧空位協(xié)同調(diào)控的鎳（氧）氫氧化物催化劑。該催化劑通過耦合吸附質(zhì)演化機制（AEM）與晶格氧機制（LOM）雙路徑，成功打破了傳統(tǒng)單一機制催化劑難以兼顧高活性與高穩(wěn)定性的困境。相關(guān)研究成果以《鐵和氧空位協(xié)同調(diào)控AEM和LOM雙路徑機制用于水氧化》為題，于國際權(quán)威期刊《自然·通訊》發(fā)表。

研究團隊以Fe-Ni2P/NiMoO4復(fù)合材料為預(yù)催化劑，通過電化學(xué)活化構(gòu)建了鐵和氧空位共調(diào)節(jié)的γ-NiOOH（OV-Ni(Fe)OOH）活性相。實驗表明，鐵與氧空位的協(xié)同作用使Ni-O鍵處于“適宜共價性窗口”，同時激活了Ni位點的AEM路徑與O位點的LOM路徑。這一設(shè)計巧妙解決了傳統(tǒng)催化劑的矛盾：AEM路徑因OH和OOH中間體的線性標(biāo)度關(guān)系導(dǎo)致理論過電位較高，而LOM路徑雖通過O-O直接耦合降低過電位，但晶格氧的反復(fù)流失會破壞催化劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。團隊形象地將兩者比喻為“金屬路線”與“氧路線”——前者路面堅實但易堵車，后者暢通無阻卻地面易塌陷。

為驗證雙路徑耦合機制，研究團隊綜合運用同位素標(biāo)記原位差分電化學(xué)質(zhì)譜、表面增強原位紅外吸收光譜等先進表征技術(shù)，并結(jié)合密度泛函理論計算。結(jié)果顯示，氧空位優(yōu)化了Ni位點AEM路徑的反應(yīng)動力學(xué)，而鐵的引入顯著提升了晶格氧活性。進一步通過恒電位投影態(tài)密度分析與恒電位從頭算分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，高電位下適當(dāng)氧空位可增強Ni位點對中間體的吸附能力，同時抑制晶格氧活性，從而在保證OER活性的前提下提高了催化劑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

電化學(xué)性能測試顯示，活化后的催化劑在堿性淡水與海水中分別僅需274.5 mV和299.1 mV的過電位即可驅(qū)動1.0 A cm-2的工業(yè)級電流密度。在1.0 A cm-2條件下，該催化劑可穩(wěn)定運行1000小時（堿性淡水）和500小時（堿性海水），展現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性與耐久性。當(dāng)裝配于陰離子交換膜電解槽后，持續(xù)電解海水500小時性能無明顯衰減，充分證明了其在工業(yè)電解水制氫領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

這項成果不僅為非貴金屬催化劑提供了“雙機制耦合”的新設(shè)計范式，更為我國綠氫產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“海水直供、設(shè)備長壽命”的工業(yè)目標(biāo)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。通過原子尺度解析鐵和氧空位對Ni、O位點電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用，研究團隊為后續(xù)開發(fā)其他雙路徑機制催化劑奠定了通用理論框架。