燕山大学研发新型催化剂：AEM-LOM双路偶联提升绿氢制备效率
在绿氢制备领域，碱性电解水技术被视为最具发展潜力的路径之一。然而，其阳极析氧反应（OER）涉及四电子转移过程，动力学反应迟缓，严重制约了整体水分解效率。尤其在复杂恶劣的海水环境中，不溶性杂质与氯氧化反应（ClOR）的叠加作用，进一步加剧了电极过电位升高和长期失活的风险。如何突破这一技术瓶颈，成为推动绿氢产业规模化应用的关键。
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燕山大学高发明教授、侯莉教授团队近期取得突破性进展，设计开发了一种铁与氧空位协同调控的镍（氧）氢氧化物催化剂。该催化剂通过耦合吸附质演化机制（AEM）与晶格氧机制（LOM）双路径，成功打破了传统单一电催化剂难以兼顾高活性与高稳定性的困境。相关研究成果以《铁和氧空位协同调控AEM和LOM双路径机制用于水氧化》为题，于国际权威期刊《自然·通讯》发表。
研究团队以Fe-Ni2P/NiMoO4复合材料为预催化剂，通过电化学活化构建了铁和氧空位共调节的γ-NiOOH（OV-Ni(Fe)OOH）活性相。实验表明，铁与氧空位的协同作用使Ni-O键处于“适宜共价性窗口”，同时激活了镍位点的AEM路径与氧位点的LOM路径。这一设计巧妙解决了传统催化剂的矛盾：AEM路径因OH⁻和COOH中间体的线性标度关系导致理论过电位较高，而LOM路径虽通过O-O直接耦合降低过电位，但晶格氧的反复流失会破坏催化剂结构稳定性。团队形象地将两者比喻为“金属路线”与“氧路线”——前者路面坚实但易堵车，后者通畅无阻却地基易塌陷。
为验证双路径耦合机制，研究团队综合运用同位素标记原位差分电化学质谱、表面增强原位红外吸收光谱等先进表征技术，并结合密度泛函理论计算。结果显示，氧空位化优化了镍位点AEM路径的反应动力学，而铁的引入显著提升了晶格氧活性。进一步通过恒电位投影态密度分析与恒电位从头算分子动力学模拟发现，高电位下适当氧空位可增强镍位点对中间体的吸附能力，同时抑制晶格氧活性，从而在保证OER活性的前提下提高了催化剂的结构稳定性。
电化学性能测试显示，活化后的催化剂在碱性淡水与海水中分别仅需274.5mV和299.1mV的过电位即可驱动1.0Acm⁻²的工业级电流密度。在1.0Acm⁻²条件下，该催化剂可稳定运行1000小时（碱性淡水）和500小时（碱性海水），展现出优异的催化活性与耐久性。当装配于阴离子交换膜电解槽后，持续电解海水500小时性能无明显衰减，充分证明了其在工业电解水制氢领域的巨大应用潜力。
这项成果不仅为非贵金属电催化剂提供了“双机制耦合”的新设计范式，更为我国绿氢产业实现“海水直供、设备长寿命”的工业目标提供了关键技术支撑。通过原子尺度解析铁和氧空位对镍、氧位点电子结构的调控作用，研究团队为后续开发其他双路径机制电催化剂奠定了通用理论框架。
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