- 导读
氢气（H2）被广泛认为是一种用途广泛的清洁能源载体及化石燃料的可再生替代品，在实现低碳未来中发挥关键作用。以间歇性可再生电力为驱动的电解水制氢已成为极具潜力的制氢技术，但其发展受到阴极析氢反应（HER）与阳极析氧反应（OER）动力学缓慢的严重制约。氢能的利用依赖高纯淡水的高效电解，而淡水资源仅占全球总水量的不足1%，因此碱性海水电解凭借其经济价值成为研究热点。尽管贵金属铂基与铱/钌基材料分别是析氢反应和析氧反应中活性最优的电催化剂，但它们的稀缺性和高昂的成本极大地阻碍了它们的工业应用，因此亟需开发高效的非贵金属替代催化剂，以在低槽压、高电流密度下加速全水解反应进程。
在众多非贵金属电催化剂中，仅有少数表现出优异的全水解双功能催化活性。这是因为HER/OER活性位点难以整合于单一催化剂，且多数催化剂仅在一个半反应中活性较高，而在另一反应中表现一般，这严重制约了工业级电流密度下电解水制氢的能量效率。金属间化合物材料（尤其是二元MoNi合金）已被证实是性能优异的析氢反应（HER）电催化剂，但这类材料在高电流密度下电荷传输能力较差，且如何优化NiMo合金表面HER中间体的吸附/脱附过程仍面临巨大挑战。与单一组分催化剂相比，异质界面的形成能够促使活性中心周围发生电子重排，优化催化剂的局部电子结构。此外，在异质结构构筑过程中可同步产生氧空位（Ov），氧空位能够增加活性位点数量并促进水分子活化。另外，析氧反应（OER）过程中通常会伴随催化剂表面重构现象。因此，在不损失催化剂HER活性的前提下，调控其表面结构并转化为高活性OER组分成为设计高效双功能催化剂的核心难题。
- 成果掠影
重庆科技大学陆世玉、金梦，北京大学李璐，南京大学邹志刚院士等人合成了一种富氧空位的高自旋Fe修饰MoNi4/MoO2异质结（Fe-MoNi4/MoO2）高效双功能全水解电催化剂。在该催化剂中，高自旋Fe构型与氧空位（Ov）呈现出独特的d轨道电子排布，有效优化了析氢反应（HER）和析氧反应（OER）过程中反应中间体的吸附与解离效率。结合拉曼光谱分析及密度泛函理论（DFT）计算结果表明，该催化剂多级界面上的金属位点（Mo、Ni、Fe）通过协同接力催化机制推动反应进行：Fe-MoNi4/MoO2中可变的Mo-O键作为活性位点，可促进水分子的初始吸附与解离，Fe-MoNi4/MoO2能够加速后续氢吸附过程。而重构形成的空位Fe-Ni(OH)2/MoO2物种，则是OER反应的真正活性物质。基于Fe-MoNi4/MoO2催化剂组装的阴离子交换膜水电解槽（AEMWE），实现500、1000和2000 mA cm-2电流密度仅需1.59、1.76和1.94 V槽电压；同时，该电解槽在100 mA cm-2电流密度下可稳定运行100小时以上，展现出优异的稳定性。
- 图文解析
图1. (a) Fe-MoNi4/MoO2催化剂的合成示意图. (b-c) Fe-NiMoO4 ∙xH2O和(d-e) Fe-MoNi4/MoO2的SEM图. (f) Fe-MoNi4/MoO2的TEM图像. (g-j) Fe-MoNi4/MoO2的HRTEM图像；(k) Fe-MoNi4/MoO2的元素mapping图像.
图2. (a-b) Fe-MoNi4/MoO2和MoNi4/MoO2的XRD谱图. (c-f) Fe-MoNi4/MoO2的高分辨率XPS谱图.(g) Fe-MoNi4/MoO2和MoNi4/MoO2的EPR谱图.(h) Fe-MoNi4/MoO2和MoNi4/MoO2的磁滞回线.(i) Fe-MoNi4/MoO2在100 k下的EPR谱图.
图3. Fe-MoNi4/MoO2, MoNi4/MoO2, MoNi4, MoO2和Pt/C的(a) HER反应LSV极化曲线, (b) 过电位对比图, (c) Tafel图. (d) Fe-MoNi4/MoO2的稳定性测试（100 mA·cm–2）. (e) Fe-MoNi4/MoO2与先前报道的催化剂HER性能比较.（f-g）Fe-MoNi4/MoO2在0 V至-0.35 V（vs. RHE）施加电势范围内的非原位拉曼光谱.
图4. HER反应后Fe-MoNi4/MoO2的 (a) TEM图, (b-e) HRTEM图, (f) EDS元素分布图. (g) Fe‑Ni, (h) Fe‑MoO2, (i) MoNi4/MoO2和 (j) Fe‑MoNi4/MoO2的结构模型与Bader电荷分析（蓝色代表电子聚集，红色代表电子耗散）. (k) Fe和 (l) Ni的d轨道分态密度计算图. (m)各催化剂表面的氢吸附自由能图.
图5. Fe-MoNi4/MoO2, MoNi4/MoO2, MoNi4, MoO2和RuO2的(a) OER反应LSV极化曲线, (b) 过电位对比图, (c) Tafel图. (d) Fe-MoNi4/MoO2的稳定性测试（100 mA·cm–2）. (e) Fe-MoNi4/MoO2与先前报道的催化剂OER性能比较.（f-g）Fe-MoNi4/MoO2在0 V至1.55 V（vs. RHE）施加电势范围内的非原位拉曼光谱.
图6. OER反应后Fe-MoNi4/MoO2的(a) TEM图, (b) 选区电子衍射（SAED）图, (c–e) HRTEM图, (f) EDS元素分布图. (g) MoO2/Ni(OH)2,(h) Fe‑MoO2/Ni(OH)2, (i)含氧空位Fe‑MoO2/Ni(OH)2的结构模型与Bader电荷分析. (j) Fe的d轨道态密度计算. (k)三种催化剂表面的OER反应路径图.
图7. (a) Fe-MoNi4/MoO2(‑,+)与Pt(‑)//RuO2(+)在碱性淡水和海水中的极化曲线. (b)分别在碱性淡水和海水中，组装电解池在100 mA·cm–2电流密度下的槽压. (c-d) Fe-MoNi4/MoO2(‑,+) 在(c)碱性淡水和(d)碱性海水中的稳定性测试. (e) 电解槽对比. (f) MEA器件结构示意图. (g) Fe-MoNi4/MoO2(‑,+)与Pt(‑)//RuO2(+)在碱性海水中的MEA极化曲线. (h) Fe-MoNi4/MoO2(‑,+)在MEA体系、海水介质中100 mA·cm–2下的稳定性测试. (i) 1000 mA·cm–2电流密度下，本工作与文献MEA体系的槽压对比.
文献信息
Shi-Yu Lu*, Xin Peng, Lu Li*,Yan Zhang, Jiaming He, Chuan Li, Minqi Liang, Jun Zhang, Yin Liu, Chuan Tan, Juan Liu, Zhigang Zou, Meng Jin*. High spin Fe decorated MoNi4/MoO2 heterojunction with oxygen vacancies-rich as bifunctional electrocatalysis for stable seawater electrolysis at high current density in anion exchange membrane water electrolysis. Journal of Materials Science & Technology, 2026, DOI: 10.1016/j.jmst.2026.03.058.
- 作者简介
陆世玉，特聘教授，研究生导师，西南大学博士，北京大学博士后，入选第七届中国科协青年人才托举工程（科协资助，国家青年人才），新重庆创新人才项目。研究方向致力于电催化及高效储能关键电极材料的开发和设计，聚焦新能源高效转化和储存材料及机制研究，实现氢能源的高效稳定生产与利用器件及高能量密度离子电池的构建。在Nature Synthesis, Nature Communications等国际顶尖SCI期刊发表论文80余篇，论文被引用4000余次，H10-index为62，申请国家专利30余项，主持国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程、新重庆创新人才项目等科研项目10余项，担任教育部学位中心研究生论文评审专家，《Carbon Energy》、《物理化学学报》、《Carbon Neutralization》、《Progress in Natural Science: Materials International》期刊青年编委，获第一届“创青春”中国青年碳中和创新创业大赛全国铜奖（排名第一），西南赛区金奖（排名第一）。
金梦，讲师，硕士生导师，重庆大学博士，清华大学博士后。主要研究方向为MOF材料及其衍生物的可控制备与电催化性能研究；过渡金属催化剂的设计与构建及其电催化生物质转化、有机电合成的研究，在过渡金属纳米电催化剂的可控制备、表界面结构的精准调控及增强电催化性能方面具有丰富的经验。主持/主研科研项目5项，在Advanced Energy Materials (IF=29.368，ESI高被引), Applied Catalysis B:Environmental (IF=19.503，ESI高被引)，Small Methods (IF=15.367)，Science China-Chemistry (IF=10.138)等国际顶尖SCI期刊发表论文20余篇，申请国家专利20余项，授权6项。
李璐，助理研究员，北京大学博士后。主要研究方向为：新能源小分子电催化转化反应（包括氢燃料电池、电解水制氢等），涉及催化剂合成、表界面调控及器件应用的研发，同时利用第一性原理计算、分子动力学模拟等方法研究催化反应机理。主持国家自然科学基金、博士后面上项目等科研项目4项，在Nature Synthesis, Nature Communications, Science Advances, National Science Review, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials等SCI期刊发表论文40余篇。
