直接海水電解制氫是將太陽能、風能和潮汐能等間歇性能源轉化為化學能的有效方法之一。然而，一般催化劑容易在OER高過電位下引發催化劑與高活性新生中間體（如O*、HO*和HOO*）之間的自重組反應。在這個過程中，催化劑的表面被重建，在電勢范圍內形成羥基金屬氧化物，這被認為是OER的“真正催化劑”。然而，這種連續而無序的重建過程對穩定催化劑的結構是致命的，特別是海水電解質的高度腐蝕，最終會導致大多數催化劑嚴重失活。此外，由于海水中存在著大量的氯離子（Cl-）與OER產生競爭。綜上所述，如何控制催化劑重構過程以避免深度重構引起的相分離，以及開發具有選擇性抑制CER和屏蔽海水中雜質的OER催化劑，已成為大規模直接海水電解的關鍵挑戰。
近日，溫州大學陳錫安教授課題組在國際頂級期刊《Nature Communications》發表題為“A restricted dynamic surface self-reconstruction toward high-performance of direct seawater oxidation”的論文。該工作利用原子層沉積（ALD）技術，將超薄無定形氧化鉬（MoO3）層引入到三維碳布（CC）上的有序珠狀氧化鈷（CoO）陣列中，從而形成豇豆狀結構催化劑（MoO3@CoO/CC）。通過ALD MoO3對CoO表面的精確調節，可以大大優化過電位和界面活性，從而精確影響O*和OOH*的形成過程，優化反應機理，改善OER的動力學。更重要的是，MoO3作為定向約束層，可以抑制催化劑界面動態自重構形成的Co-Mo雙金屬層狀雙氫氧化物（CoMo-LDH）的相分離，從而提高催化劑的使用壽命。此外，MoO3可以阻止Cl-到達催化活性界面，重構的穩定CoMo-LDH層則依靠靜電斥力進一步屏蔽氯化學，從而實現了對海水的選擇性氧化。
基于此，MoO3@CoO/CC||Pt/C/CC流動電解池在直接電解海水時可達到約419.4 mL cm-2h-1的H2產率，相應的功耗僅為4.62 KWh/m3 H2。這些結果超過了實際海水電解的結果。這一發現不僅為利用豐富的海水資源進行大規模制氫開發了一種堅固而穩定的催化劑，而且為指導高性能OER催化劑的設計提供了一種受限的動態表面重構機制。
相關研究結果發表于近期的《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-024-46708-8），溫州大學為第一通訊單位，化學與材料工程學院研究生周玲為第一作者，溫州大學青年教師郭大營博士、陳錫安與王舜教授為該論文共同通訊作者，相關工作受到國家自然科學基金（52202109, 52271225, 52072273, 52331009）和溫州市基礎科研項目（G20220024, H20220002）項目的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46708-8
