缺陷—界面耦合以实现工业电流密度下稳定的晶格氧驱动析氧反应

将水变成燃料

氢燃料承诺提供清洁能量，排放物仅为水，但要以高效且低成本的方式制氢仍然是重大挑战。本研究着眼于分解水制氢制氧过程中最难的一环之一：在真实工业条件下构建既高效又耐久的制氧电极。通过设计一种能控制氧原子在晶体内部迁移的新型层状材料，研究人员展示了一种既能在高速率下产生氢气又能使催化剂在数千小时内保持稳定的方法。

更快的制氧途径

在水分解装置中，释放氧气的步骤通常拖慢整体进程并浪费能量。现有大多数催化剂通过在表面保持短寿命的中间片段，逐步传递电子直至形成氧气。这一路径受限于这些中间体之间的强相关性，因此总需要额外的电压。另一条替代路线允许来自固体深处的氧原子参与生成氧气，从而打破这一限制并有望降低能耗。然而，每当这些内部氧原子被抽出并重新嵌入时，固体结构可能会逐步崩解。

构建双组分制氧体

研究团队通过在纳米级金属镍多孔支撑上，直接生长极薄且无序的镍—铁层与微小铁—钼氧化物金字塔底座相结合，制备出一种新催化剂。这两个组分形成紧密耦合的结构：薄片含有大量缺失的氧位，而下方的金字塔基底则具有良好的有序性。借助电子显微镜、X射线技术和光谱学，研究者表明镍、铁与钼的排列使得电子自薄片流向金字塔，产生内建的内部电场。同时，高密度的氧空位重塑了金属与氧之间的电子共享方式，使材料具备让晶格氧参与反应的先天条件。

推动工业级性能

在碱性溶液中测试时，这种层状催化剂在非常高的电流密度下驱动析氧反应，可达到工业所需的电流水平，所需的过电位低于常见的镍—铁氢氧化物，甚至低于商业化的铱氧化物。纹理化的纳米片涂层和金字塔形状有助于液体与气体的自由流动，气泡不会附着在表面阻碍反应。对比活性面积、每个活性位点的反应速率和电荷传输电阻等测量结果都表明该催化剂不仅拥有众多活性区域，还能在运行时快速传输电子和离子。以每平方厘米两安培进行的长期测试显示，工作电压在3000小时内仅发生轻微漂移，而更简单的镍—铁催化剂则衰减得更快。

观察氧从内向外移动

为揭示材料的工作机理，研究人员在催化剂运行时监测了反应副产物和振动指纹。利用富含重同位素氧的水，他们证明了储存在固体内部的氧原子确实作为产物氧气被释放——这是晶格氧参与的直接证据。红外与拉曼光谱显示了关键含氧中间体的累积，并表明新材料比传统的仅表面途径更倚重内部氧路线。计算机模拟支持这一图景：大量氧空位与内部电场的组合重塑了电子能带，使金属—氧键适度被削弱，从而允许晶格氧参与反应，同时保持结构可修复性。

在严苛条件下保持坚固

催化剂的耐久性往往是活性成功后的短板，特别是在强碱性溶液中铁容易溶解，带走宝贵的氧原子。本文中，金字塔支撑提供了机械强度，纳米片能结合来自水的片段快速补充缺失的氧，而内部电场则将电子引导至快速通道，防止铁被过度氧化并以高反应性的形态溶失。对电解液的化学分析证实，即使在更浓的碱性环境和更高电流下，新催化剂流失的铁远少于常规镍—铁氢氧化物。

从实验室器件到太阳驱动制氢

为展示实际应用潜力，作者将其制氧电极与匹配的产氢电极配对，构成完整的阴离子交换水电解单元。该装置在比使用贵金属催化剂的电池更低的电压下即可达到工业级电流，并在长时间运行中保持稳定。最后，他们将电解池与高效的钙钛矿—硅串联太阳能电池连接。在模拟阳光下，这一集成系统将超过20%的入射太阳能转化为氢的化学能，并在超过一百小时的时间里保持大部分性能。

这对清洁氢意味着什么

该研究表明，谨慎地将晶体缺陷与精心选择的界面相结合，可以在不牺牲稳定性的前提下释放快速的晶格氧驱动析氧。简言之，它证明我们可以设计出固体材料，使来自内部深处的氧原子帮助加速水分解，同时材料结构能够自我修复并抵抗长期损伤。这一方法可为下一代稳健且低成本的电极设计提供指导，助力在规模化、尤其是直接由阳光驱动下制备绿色氢能。

引用: Liu, S., Sun, M., Dai, L. et al. Defect-interface coupling for stable lattice-oxygen-driven oxygen evolution at industrial current densities. Nat Commun 17, 2135 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68730-8

关键词: 水电解, 制氢, 析氧催化剂, 可再生能源, 太阳能转氢能