直接海水電解制氫是將太陽(yáng)能、風(fēng)能和潮汐能等間歇性能源轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的有效方法之一。然而，一般催化劑容易在OER高過(guò)電位下引發(fā)催化劑與高活性新生中間體（如O*、HO*和HOO*）之間的自重組反應(yīng)。在這個(gè)過(guò)程中，催化劑的表面被重建，在電勢(shì)范圍內(nèi)形成羥基金屬氧化物，這被認(rèn)為是OER的“真正催化劑”。然而，這種連續(xù)而無(wú)序的重建過(guò)程對(duì)穩(wěn)定催化劑的結(jié)構(gòu)是致命的，特別是海水電解質(zhì)的高度腐蝕，最終會(huì)導(dǎo)致大多數(shù)催化劑嚴(yán)重失活。此外，由于海水中存在著大量的氯離子（Cl-）與OER產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。綜上所述，如何控制催化劑重構(gòu)過(guò)程以避免深度重構(gòu)引起的相分離，以及開(kāi)發(fā)具有選擇性抑制CER和屏蔽海水中雜質(zhì)的OER催化劑，已成為大規(guī)模直接海水電解的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

近日，我校陳錫安教授課題組在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Communications》發(fā)表題為“A restricted dynamic surface self-reconstruction toward high-performance of direct seawater oxidation”的論文。該工作利用原子層沉積（ALD）技術(shù)，將超薄無(wú)定形氧化鉬（MoO3）層引入到三維碳布（CC）上的有序珠狀氧化鈷（CoO）陣列中，從而形成豇豆?fàn)罱Y(jié)構(gòu)催化劑（MoO3@CoO/CC）。通過(guò)ALD MoO3對(duì)CoO表面的精確調(diào)節(jié)，可以大大優(yōu)化過(guò)電位和界面活性，從而精確影響O*和OOH*的形成過(guò)程，優(yōu)化反應(yīng)機(jī)理，改善OER的動(dòng)力學(xué)。更重要的是，MoO3作為定向約束層，可以抑制催化劑界面動(dòng)態(tài)自重構(gòu)形成的Co-Mo雙金屬層狀雙氫氧化物（CoMo-LDH）的相分離，從而提高催化劑的使用壽命。此外，MoO3可以阻止Cl-到達(dá)催化活性界面，重構(gòu)的穩(wěn)定CoMo-LDH層則依靠靜電斥力進(jìn)一步屏蔽氯化學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)海水的選擇性氧化。

基于此，MoO3@CoO/CC||Pt/C/CC流動(dòng)電解池在直接電解海水時(shí)可達(dá)到約419.4 mL cm-2h-1的H2產(chǎn)率，相應(yīng)的功耗僅為4.62 KWh/m3 H2。這些結(jié)果超過(guò)了實(shí)際海水電解的結(jié)果。這一發(fā)現(xiàn)不僅為利用豐富的海水資源進(jìn)行大規(guī)模制氫開(kāi)發(fā)了一種堅(jiān)固而穩(wěn)定的催化劑，而且為指導(dǎo)高性能OER催化劑的設(shè)計(jì)提供了一種受限的動(dòng)態(tài)表面重構(gòu)機(jī)制。

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于近期的《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-024-46708-8），溫州大學(xué)為第一通訊單位，化學(xué)與材料工程學(xué)院研究生周玲為第一作者，我校青年教師郭大營(yíng)博士、陳錫安與王舜教授為該論文共同通訊作者，相關(guān)工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金（52202109, 52271225, 52072273, 52331009）和溫州市基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（G20220024, H20220002）項(xiàng)目的資助。

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