同济大学程洪飞、马吉伟最新ACS Catalysis：纳米异质结工程触发氧中间体直接耦合，实现3000小时工业级稳定水分解

第一作者：周晓延，冀政潼

通讯作者：程洪飞，马吉伟，宋二红

单位：同济大学，中国科学院上海硅酸盐研究所

以可持续能源为动力的电化学水分解是一种被广泛采用的绿色制氢方法。阳极析氧反应（OER）涉及四电子转移过程和多步反应，其固有的缓慢性严重限制了水分解的整体效率。为了规避传统吸附质演化机制（AEM）中固有的线性关系限制，激活晶格氧参与OER被认为是一种有前途的途径，具有大幅增强内在OER活性的潜力。然而，晶格氧的析出会破坏催化剂结构的稳定性，不可避免地导致金属阳离子浸出和结构降解。这种活性和稳定性之间的基本平衡是开发高效OER电催化剂的关键挑战。

近日，来自同济大学的程洪飞研究员、马吉伟教授与中国科学院硅酸盐研究所的宋二红教授合作，在国际知名期刊ACS catalysis上发表题为“Interface Engineering Breaks the Activity–Stability Trade-Off in Water Oxidation through Coupled Oxygen Evolution Mechanism”的研究工作。该工作通过异质结工程构筑了AgxO/CoOOH异质界面，并引入Fe掺杂强化界面稳定性，实现了在工业条件下的稳定水电解。原位表征结合DFT计算证实，异质界面的构筑触发了吸附氧物种与晶格氧的直接耦合，绕过了线性标度关系的限制，同时强化的界面有效提升了催化剂的稳定性。

研究者通过电化学共沉积和离子交换，在泡沫镍上制备了AgFe-CoOOH催化剂。XRD和AC-TEM结果表明，该催化剂由γ-CoOOH纳米片（厚度约4 nm）和表面锚定的AgxO纳米簇（直径约3 nm）构成，两者形成异质界面。XPS和同步辐射XAS结果表明，Ag的价态介于0到+1之间，Co以+3价为主，Fe为+3价。与纯CoOOH相比，AgFe-CoOOH中Co-O键长缩短，Co 3d与O 2p轨道杂化增强，O p带中心更接近费米能级，表明晶格氧活性得到提高。

为探究反应路径，研究团队开展了一系列原位表征和DFT计算。pH依赖性测试和原位DEMS结果表明，催化剂OER中存在晶格氧参与，16O18O信号的检出直接证实了这一点。原位表面增强红外光谱检测到O-O等关键中间体，原位拉曼光谱则显示Fe掺杂可抑制Co的过度氧化。DFT计算进一步提出耦合析氧机制（COM）：OH-吸附在Ag位点后脱质子生成O，随后与Fe激活的邻近晶格氧直接耦合生成O2。COM路径的决速步能垒为1.45 eV，低于传统AEM的1.81 eV和对比样品的LOM路径。差分电荷计算表明Fe掺杂增强了界面处的电荷相互作用，有效提升了界面稳定性。

在三电极体系中，AgFe-CoOOH催化剂在10 mA cm-2电流密度下的过电位为220 mV，Tafel斜率为44.9 mV dec-1。在200 mA cm-2电流密度下持续运行近2000小时，电压衰减率约为0.035 mV h-1。在阴离子交换膜电解槽测试中，以AgFe-CoOOH为阳极、Pt/C为阴极的器件在60°C、1 A cm-2条件下可稳定运行近3000小时，达到相同电流密度所需电压（1.81 V）低于NiFe-LDH对照组（1.93 V）。稳定性测试后的表征显示，AgFe-CoOOH催化剂表面结构保持完整，Ag和Fe的溶出率较低，表明Fe掺杂有助于增强异质界面稳定性。

Interface Engineering Breaks the Activity–Stability Trade-Off in Water Oxidation through Coupled Oxygen Evolution Mechanism

程洪飞，同济大学特聘研究员、博士生导师，2021年入选“上海市高层次人才”计划。分别于2016年和2020年获新加坡南洋理工大学学士和博士学位，随后在南洋理工大学和新加坡科技局从事博士后研究工作。2022年11月加入同济大学材料科学与工程学院，主要从事金属基纳米材料的晶相调控及催化性能研究。在Advanced Materials、Angewandte Chemie、Nature Communications、Advanced Energy Materials等期刊发表SCI论文50余篇。

马吉伟，同济大学长聘教授/博导，2013年获法国普瓦提埃大学化学博士学位，2013-2015年先后在德国慕尼黑工业大学和法国巴黎第六大学从事博士后研究，2015-2018年任法国国家科学研究中心A类研究员，2018年加入同济大学材料科学与工程学院，入选国家海外高层次人才计划。主要从事缺陷化学和能源电化学研究，聚焦缺陷、电子和界面调控激发材料储存金属离子和界面反应的潜能，为新型储能和转能器件提供重要支撑。在国际知名学术期刊上发表学术论文80余篇，包括Nature Materials（2篇）、Nature Catalysis（1篇）、Nature Communications（6篇）、Journal of the American Chemical Society (1篇)和Angewandte Chemie（4篇）等，著有英文专著2章，获法国、美国、日本和中国授权专利6项。

宋二红，中国科学院上海硅酸盐研究所副研究员，主要研究方向为计算电化学储能与陶瓷材料设计。专注于通过人工智能与机器学习研究材料表面和界面的微观结构设计，筛选具备高活性和循环稳定性的电催化材料。在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Science等顶尖期刊发表代表作10篇，累计发表论文39篇，SCI引用次数1184次，h指数15，并有1篇入选ESI全球前1%高引用论文。作为项目负责人主持国家基金项目3项及省部级基金项目2项，并获“人才发展资金”支持计划等多项人才荣誉。

周晓延，同济大学2023级硕士研究生，在马吉伟教授和程洪飞研究员的指导下从事电催化方向的研究。

冀政潼，吉林大学2022级博士研究生，在宋二红副研究员的指导下从事电化学催化与理论计算方面的研究。