东南大学彭生杰教授团队，Nature Catalysis观点：界面水行为调控促进钴基非贵金属阳极在酸性OER中的稳定性

第一作者：王鲁齐、郝乙鑫、潘金亮

通讯作者：彭生杰*

单位：东南大学

质子交换膜电解水具有高电流密度、响应快等优势，但阳极长期处于强酸与高氧化电位下，催化剂极易发生金属溶出与结构失稳。目前工业体系主要依赖铱基阳极，受制于资源与成本压力，推动了非贵金属阳极的迫切需求。然而，多数非贵金属氧化物在酸性条件下往往快速失效，其原因不仅与金属氧键的键强和电子结构有关，还与反应界面水的行为密切相关：水分子在表面吸附后形成取向的氢键网络，增强对金属氧键的极化，并促进金属物种以水合离子形式进入溶液，从而加速溶解与重构。因此，从原子尺度理解并调控界面水的局域结构与相互作用，成为提升非贵金属阳极酸性稳定性的重要研究方向。

近日，来自东南大学的研究团队，在国际知名期刊Nature Catalysis上发表题为“Tailored water–surface interactions on cobalt oxide for stable proton exchange membrane water electrolysis”的研究论文。该工作聚焦质子交换膜电解水中非贵金属阳极在强酸环境下面临的稳定性难题，从反应界面水分子的结构与行为出发，系统揭示了界面水在金属溶解过程中的关键作用机理。研究通过构建具有特定水分子相互作用的原子位点，调控界面氢键网络与金属溶出行为，并在PEM电解槽中验证了其长期稳定运行性能，为非贵金属阳极的稳定设计提供了有效方法。

研究从反应界面出发，揭示了酸性条件下非贵金属氧化物的失稳不仅源于金属–氧键断裂，还与界面水形成的氢键网络密切相关。界面水的取向与分布会显著影响金属–氧键的极化程度及金属离子的溶剂化过程，从而直接参与金属溶出的发生。

通过在Co₃O₄表面引入La原子位点，构建对水分子作用能力不同的原子环境，使界面水在原子尺度呈现出非均匀分布。La位点弱化局域氢键富集，缓解水对Co–O键的过度极化，从而有效提高Co位点的抗溶解能力。同时结合可溶出的Ca物种，动态生成高活性的配位不饱和Co位点，实现活性与稳定性的协同调控。

基于上述界面调控策略构建的CoLaCa-SWMI阳极，在酸性条件下表现出优异的析氧活性与显著提升的稳定性，并在质子交换膜电解槽中以1 A cm^-2连续稳定运行830小时，验证了该界面水调控思路在实际PEM电解水工况下的可行性。

该研究表明，反应界面水并非被动参与者，而是深度影响非贵金属阳极稳定性的关键因素。未来，围绕不同原子位点对水分子作用差异的精细调控，有望进一步拓展界面工程在酸性电催化体系中的应用边界。将界面水调控与电子结构设计、缺陷工程及电极构型优化相结合，有助于构建在高电流密度和长周期工况下依然稳定运行的非贵金属阳极体系。同时，这一思路也为理解其他强腐蚀电化学环境中的材料失效机制提供了新的研究视角，有望推动相关电化学能量转换器件向更高稳定性与更广应用场景发展。

Tailored water–surface interactions on cobalt oxide for stable proton-exchange-membrane water electrolysis

彭生杰，东南大学教授，博士生导师，英国皇家化学会会士FRSC，入选国家青年人才、江苏省特聘教授、江苏省双创人才，主持/完成国家自然科学基金重大计划培育项目、国家自然基金面上项目、江苏省杰出青年基金、江苏省双碳专项及其他横向项目等10余项。2010年于南开大学获得博士学位，导师是南开大学副校长陈军院士，随后加入南洋理工大学颜清宇和新加坡国立大学Seeram Ramakrishna教授（中国工程院外籍院士、英国工程院院士）课题组进行博士后研究。彭生杰长期从事微纳米材料的设计合成及其表界面电催化与储能研究。近5年以通讯作者身份在Nat. Catal.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.及Nat. Commun.等国际顶级期刊发表SCI论文42篇；累计发表学术论文220篇，被引次数逾22000次，H-index达76。

课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/peng_shengjie