多校合作最新Science：超稳MOF@POM催化剂，突破高效电解水制氢瓶颈
【科学背景】
碱性水电解制氢是实现绿色氢能规模化应用的关键技术，但其核心挑战在于开发高效、稳定且非贵金属的阳极催化剂。当前广泛研究的金属有机框架（MOF）和层状双氢氧化物（LDH）等材料在高电流密度下易发生活性位点溶解和结构坍塌，导致性能快速衰减。此外，传统催化剂电子传输效率低、过电位高，难以满足工业电解槽对低能耗与长寿命的严苛需求。多金属氧酸盐（POM）因其独特的电子传递能力被视为潜在改性材料，但其与MOF的协同作用机制及稳定性提升策略尚不明确。本文针对上述问题，提出通过自组装策略将POM与CoFe-MOF复合，构建具有稳定超结构的MOF@POM催化剂，旨在解决活性位点溶解与电子传输瓶颈，推动碱性水电解技术的实用化进程。
【创新成果】
今日，中国科学院上海硅酸盐研究所严雅、华中科技大学夏宝玉、上海交通大学黄富强、新西兰奥克兰大学王子运、内蒙古低碳催化重点实验室Jiangwei Zhang课题组合作，通过双模板自组装策略，将镍桥联的磷钨酸多金属氧酸盐（PW₉）与CoFe-MOF复合，成功制备出MOF@POM超结构催化剂。该材料在电化学水氧化过程中原位转化为金属（氧）氢氧化物活性相，展现出178 mV的低过电位（10 mA cm⁻²）和长达5140小时的超稳定运行（2 A cm⁻²）。同步辐射PDF分析和原位光谱表征表明，POM通过Ni-O桥与MOF形成强耦合界面，构建了从CoFe活性位点到电极的快速电子通道，同时Ni层作为弹性缓冲层稳定活性相结构。理论计算进一步揭示，POM的引入显著降低了CoFe位点的电荷态，抑制了其过氧化与溶解，使催化剂在1.8 V高电位下仍保持热力学稳定。技术经济分析显示，MOF@POM电解槽的制氢平准化成本低至2.324美元/kg，优于美国能源部2035年目标，为规模化应用奠定基础。相关论文以题为“Polyoxometalated metal-organic framework superstructure for stable water oxidation”的论文发表在Science上。
【数据概况】
图1. MOF@POM超结构的模型与表征，展示其花瓣状形貌、单层厚度及长程有序晶体结构© 2025 AAAS
图2. 电化学性能曲线显示MOF@POM在碱性电解槽中的低电压需求与超长稳定性© 2025 AAAS
图3. 原位光谱与结构演化分析揭示催化剂在氧化过程中向金属（氧）氢氧化物的相变及Ni层的弹性稳定作用© 2025 AAAS
图4. 理论计算阐明POM抑制CoFe活性位点溶解的机制及水氧化反应路径的能垒降低效应© 2025 AAAS
【科学启迪】
MOF@POM超结构催化剂通过界面协同与电子通道优化，实现了碱性水氧化活性与稳定性的双重突破，为绿色氢能的高效制备提供了新范式。其工业化应用仍需解决膜电极组件集成、大规模合成工艺及波动性可再生能源适配等挑战。未来研究可拓展POM-MOF协同设计至其他电催化反应体系，并探索机器学习加速催化剂筛选，推动电解水制氢技术的全面升级。
文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads1466
本文由温华供稿
