在动态重构的钴基催化剂中构筑共离子空位以实现实用阴离子交换膜电解

更高效地把水变成燃料

清洁氢能是低碳未来的有前景燃料，但从水中制取氢气的能耗仍然过高。该研究探讨了一种改进水分解装置薄弱环节的智能方法：帮助从水中释放氧气的材料。通过在原子尺度上重新设计这种材料，研究者展示了如何用更少的电力并以更好的耐久性从水中提取更多氢气，这是实现经济可行的绿色氢能的关键一步。

为何更好的析氧助剂很重要

工业水分解装置，特别是阴离子交换膜水电解槽，具有吸引力，因为它们可以使用廉价且地壳中丰富的材料，而不必依赖像铱这样的贵金属。然而，在产生氧气的那一侧，大多数低成本催化剂要么反应太慢，要么在苛刻的工作条件下分解。一种名为氧化钴羟基物的钴基化合物是较有前途的选择之一，但即便如此也存在权衡：增强对氧的活化可以加速反应，却可能随着时间损害材料结构。核心挑战是设计出既能加速放氧又能在运行中自我修复的催化剂。

制造有益的“缺失原子”

研究团队通过有意在钴基催化剂的薄片中引入微小缺陷——缺失的钴原子——来解决这一问题。他们首先合成了含有钴、硒和少量锶的带状晶体。计算和X射线测量表明，掺入锶会削弱特定化学键，使结构在运行中更容易重组。当这些晶体暴露于析氧反应的工作条件时，它们转变为含有大量均匀分布钴空位的氧化钴羟基纳米片，锶原子则以稳定剂的身份保留在新结构中。

原子级设计如何加速反应

详细的实验和计算模拟揭示了这些刻意缺失的原子为何有帮助。在空位周围，钴与氧的电子共享更强，这使得固体内的氧更容易参与反应。这激活了一条替代反应途径，其中晶格中的氧与来自水的物种协同作用，更直接地生成氧气。与此同时，空位周围改变的电子环境增强了催化剂与溶液中来袭的羟基基团之间的吸引力。这些羟基能迅速填补反应过程中产生的临时氧空缺，防止结构崩解。换言之，材料被设计成在释放氧和补充氧之间达到平衡循环。

在实际装置中的表现

在碱性溶液中测试时，富含空位的锶–钴纳米片在更高电流和更低电压下产生氧气，性能显著优于普通氧化钴羟基物和商业二氧化铑催化剂。更关键的是，即便经过数千次快速启停循环，它们几乎没有性能衰减，流失到溶液中的钴也非常少。在一台在80 °C运行、另一侧装有商业制氢电极的完整阴离子交换膜电解槽中，新型催化剂在仅2.0伏下就能提供每平方厘米3.3安培的工业级电流，单位产氢的能耗低于当前技术目标，并在1000小时内保持稳定运行。

这对绿色氢能意味着什么

这项工作表明，通过精心放置并稳定金属“缺失位点”，可以将结构弱点转化为强大的设计特性。利用锶引导钴空位的形成，使其既能活化氧又能实现快速自我修复，研究者创造了一种低成本的催化剂——在真实工况下既快速、高效又异常耐久。这样的原子级工程为构建下一代稳健、高性能材料提供了蓝图，有助于将大规模绿色氢能生产变为现实可行的方案。

引用: Zhao, J., Li, X., Wang, K. et al. Engineering Co-ion vacancy in dynamically reconstructed Co-based catalysts for practical anion-exchange membrane electrolysis. Nat Commun 17, 2858 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69547-1

关键词: 绿色氢能, 水电解, 析氧催化剂, 氧化钴羟基物, 缺陷工程

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