多校合作最新Science：超穩MOF@POM催化劑，突破高效電解水制氫瓶頸

多校合作最新Science：超穩MOF@POM催化劑，突破高效電解水制氫瓶頸

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【科學背景】

堿性水電解制氫是實現綠色氫能規模化應用的關鍵技術，但其核心挑戰在于開發高效、穩定且非貴金屬的陽極催化劑。當前廣泛研究的金屬有機框架（MOF）和層狀雙氫氧化物（LDH）等材料在高電流密度下易發生活性位點溶解和結構坍塌，導致性能快速衰減。此外，傳統催化劑電子傳輸效率低、過電位高，難以滿足工業電解槽對低能耗與長壽命的嚴苛需求。多金屬氧酸鹽（POM）因其獨特的電子傳遞能力被視為潛在改性材料，但其與MOF的協同作用機制及穩定性提升策略尚不明確。本文針對上述問題，提出通過自組裝策略將POM與CoFe-MOF復合，構建具有穩定超結構的MOF@POM催化劑，旨在解決活性位點溶解與電子傳輸瓶頸，推動堿性水電解技術的實用化進程。

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【創新成果】

今日，中國科學院上海硅酸鹽研究所嚴雅、華中科技大學夏寶玉、上海交通大學黃富強、新西蘭奧克蘭大學王子運、內蒙古低碳催化重點實驗室Jiangwei Zhang課題組合作，通過雙模板自組裝策略，將鎳橋聯的磷鎢酸多金屬氧酸鹽（PW?）與CoFe-MOF復合，成功制備出MOF@POM超結構催化劑。該材料在電化學水氧化過程中原位轉化為金屬（氧）氫氧化物活性相，展現出178 mV的低過電位（10 mA cm?2）和長達5140小時的超穩定運行（2 A cm?2）。同步輻射PDF分析和原位光譜表征表明，POM通過Ni-O橋與MOF形成強耦合界面，構建了從CoFe活性位點到電極的快速電子通道，同時Ni層作為彈性緩沖層穩定活性相結構。理論計算進一步揭示，POM的引入顯著降低了CoFe位點的電荷態，抑制了其過氧化與溶解，使催化劑在1.8 V高電位下仍保持熱力學穩定。技術經濟分析顯示，MOF@POM電解槽的制氫平準化成本低至2.324美元/kg，優于美國能源部2035年目標，為規模化應用奠定基礎。相關論文以題為“Polyoxometalated metal-organic framework superstructure for stable water oxidation”的論文發表在Science上。

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【數據概況】

圖1. MOF@POM超結構的模型與表征，展示其花瓣狀形貌、單層厚度及長程有序晶體結構? 2025?AAAS

圖2. 電化學性能曲線顯示MOF@POM在堿性電解槽中的低電壓需求與超長穩定性? 2025?AAAS

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圖3. 原位光譜與結構演化分析揭示催化劑在氧化過程中向金屬（氧）氫氧化物的相變及Ni層的彈性穩定作用? 2025?AAAS

圖4. 理論計算闡明POM抑制CoFe活性位點溶解的機制及水氧化反應路徑的能壘降低效應? 2025?AAAS

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【科學啟迪】

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MOF@POM超結構催化劑通過界面協同與電子通道優化，實現了堿性水氧化活性與穩定性的雙重突破，為綠色氫能的高效制備提供了新范式。其工業化應用仍需解決膜電極組件集成、大規模合成工藝及波動性可再生能源適配等挑戰。未來研究可拓展POM-MOF協同設計至其他電催化反應體系，并探索機器學習加速催化劑篩選，推動電解水制氫技術的全面升級。

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文獻鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads1466

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本文由溫華供稿