面向工业电解水，开发兼具高活性与高稳定性的析氧反应（OER）催化剂仍是重大挑战。
2026年1月29日，华中科技大学申燕，王鸣魁，新南威尔士大学赵川在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Defect-interface coupling for stable lattice-oxygen-driven oxygen evolution at industrial current densities》的研究论文，Shujie Liu为论文第一作者，申燕，赵川，王鸣魁为论文共同通讯作者。
在本文中，作者报道了一种由NiFe层状双氢氧化物纳米片锚定于金字塔形Fe2(MoO4)3构成的异质结构催化剂，可激活晶格氧实现高效持久析氧。研究表明，NiFe层状双氢氧化物内的氧空位与材料界面内建电场协同优化电子结构，使晶格氧直接参与反应；所得NiFe LDH/FeMoO催化剂在1 M KOH中仅需316 mV过电位即可达到2 A cm-2，并连续稳定运行3000 h。将其阳极集成至太阳能驱动电解槽，太阳能-氢能转换效率高达20.15%。本工作为设计稳健催化剂及推进可再生能源与电解水规模化联产清洁氢气提供了可行策略。
阴离子交换膜水电解（AEMWE）结合了低成本碱性水电解（AWE）与高电流密度质子交换膜水电解（PEMWE）的优势，已成为可持续制氢的重要技术路线。然而，阳极析氧反应（OER）涉及多步四电子转移，动力学缓慢，需要高过电位，成为制约整体效率的瓶颈。传统遵循吸附物演化机制（AEM）的OER电催化剂受*OH与*OOH中间体线性标度关系限制，理论过电位需高于零点三七伏。相比之下，晶格氧机制（LOM）通过晶格氧直接参与O-O键形成，绕过该标度约束，可显著提升本征活性。因此，激活LOM的电催化剂为降低OER过电位、释放AEMWE性能潜力提供了可行路径。
NiFe基氢氧化物，尤其是NiFe层状双氢氧化物（LDH），因成本低、本征活性高且结构可调，在碱性OER中备受关注。近期研究致力于在NiFe LDH中激活LOM，以突破AEM活性限制。异原子掺杂与异质结构建被证实可有效调节金属–氧共价性并启用晶格氧氧化还原。然而，LOM的激活常伴随催化剂长期稳定性下降，反复的晶格氧氧化还原与空位循环会渐进破坏结构并降低催化性能。为此，报道的策略包括阻止晶格氧直接消耗或实现可逆再生以强化电催化剂结构完整性。例如，引入氧空位可触发晶格氧介导–氧空位位点机制（LOM-OVSM），实现氧物种可逆循环；将NiFe LDH与Ni4Mo合金耦合，可充当“氧泵”，持续补充晶格氧并缓解空位诱导的降解。
除晶格氧激活导致的结构失稳外，Fe的溶出也是NiFe基催化剂在AEMWE中的严峻挑战。碱性OER中，Fe主要以高铁酸根（FeO42-）形式溶出，该化学不可逆过程会抽取晶格氧并破坏氧化还原循环，从而加剧晶格氧不稳定性。在工业高电流密度（≥2Acm-2）与高浓碱液（30%KOH）等苛刻条件下，高铁酸根形成加速，导致活性位点流失与性能快速衰减。目前，多数LOM激活策略侧重提升氧化还原活性，却常忽视金属组分在此类工业工况下的化学稳定性。因此，在高电流密度下兼顾LOM驱动的高活性与结构稳健性，仍是OER电催化剂设计的关键难题。
作者构建了一种由金字塔形Fe2(MoO4)3与包覆其外的非晶NiFe LDH纳米片组成的异质结构电催化剂（NiFe LDH/FeMoO），实现高效且稳定的OER。该电极在1 M KOH中仅需316 mV过电位即可达到2Acm-2电流密度，并可在2 A cm-2下连续运行3000 h，电压降解率仅4.5 μV h-1。采用NiFe LDH/FeMoO为阳极、Y-NiMo/MoO2-x为阴极的AEMWE器件，在2.0 V下实现2 A cm-2的工业级性能。进一步构建的光伏驱动AEMWE系统，太阳能–氢能转换效率达20.15%。本工作为设计稳健OER催化剂提供了新思路，并推动了可再生能源与水电解制氢的规模化集成。
图1：NiFeLDH/FeMoO异质结构形貌与电子结构。SEM/TEM显示金字塔FeMoO被超薄NiFeLDH纳米片包裹；XRD证实Fe2(MoO4)3晶相，NiFeLDH呈非晶；XANES与EXAFS揭示Ni/Fe氧化态升高、M-O配位减弱，高分辨O1s XPS给出氧空位含量高达27.9%，为LOM路径奠基。
图2：OER活性与稳定性评估。NiFeLDH/FeMoO在1 M KOH中仅需316 mV即达2 A cm-2，Tafel斜率48.9 mV dec-1；Δη/Δlog|j|、Rct、TOF均优于对比样；TMA+抑制与DEMS 18O标记证明LOM贡献翻倍；3000h长期测试降解率仅4.5 μV h-1，结构保持完整。
图3：LOM机理的原位光谱与DFT解析。ATR-SEIRAS显示*OO信号强于*OOH，证实LOM主导；差分电荷与PDOS表明界面内建电场抬升O 2p带中心、降低Ni 3d LHB，削弱M-O键；Gibbs自由能计算LOM-RDS能垒0.46 eV，低于AEM的0.58 eV，反应路径图清晰展示Ol循环。
图4：稳定性提升机制。Laviron分析ks提高、原位Raman显示Ni-O/Mo-O峰持续存在且相变电位延后；高浓KOH加速老化30 h后Fe溶解仅0.03 mg L-1且无FeO42-信号，归因于OH⁻快速修复空位与内建电场抑制过氧化，示意图总结三大协同稳定效应。
图5：AEMWE与PV-AEMWE系统性能。自支撑NiFeLDH/FeMoO||Y-NiMo/MoO2-x电解槽2 A cm-2仅需2.0 V，100 h稳定运行；与钙钛矿/硅叠层太阳能耦合，工作点16.6 mA cm-2@1.43 V，实测太阳能-氢转换效率20.15%并维持140 h，性能与稳定性均领先现有PV-EC系统。
综上，作者构建了NiFeLDH/FeMoO异质结构阳极，利用界面氧空位与内建电场激活晶格氧机制，在2 A cm-2工业电流密度下实现316 mV低过电位并稳定运行3000 h；耦合高效AEMWE与钙钛矿/硅叠层光伏，太阳能-氢转换效率达20.15%，为低成本、高耐久、可再生电力驱动的大规模绿氢生产提供了可放大路线。
Defect-interface coupling for stable lattice-oxygen-driven oxygen evolution at industrial current densities. Nat. Commun., 2026. https://doi.org/10.1038/s41467-026-68730-8.
