文章信息：
第一作者：焦妙伦 通讯作者：叶陈良 通讯单位：华北电力大学
DOI：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126955
1.研究背景
电催化海水分解是实现可再生能源向高能量密度氢能转化的关键技术。然而，海水电解受到阳极动力学缓慢的析氧反应(OER)和严重的氯离子诱导毒化作用的严重阻碍。目前，单原子催化剂(SACs)在海水分解中展现出吸引人的OER性能，但在这些成功案例中，单原子位点主要作为OER的直接活性中心。探索单原子位点作为“电子助推器”而非活性中心的功能，可能为进一步提高活性和稳定性提供新的机遇。
近期，华北电力大学叶陈良团队，提出了一种全新策略，通过便捷的两步溶剂热法，将原子级分散的Mn引入到Fe2O3纳米棒阵列(Mn1-Fe2O3-NRs)中。研究表明，单原子Mn并不作为直接活性位点，而是作为强大的“电子助催化剂”。它通过引发表面电荷重新分布，微调相邻Fe位点的d带中心，不仅降低了OER动力学势垒，还使表面在热力学上优先吸附*OH路径而非*Cl路径，有效阻断了氯离子毒化。该催化剂在工业级海水电解中实现了极佳的活性和极其优异的超长稳定性。相关成果发表在国际顶级期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy上。
2.图文解析
图1：催化剂的合成与形貌表征
研究团队首先在泡沫镍上溶剂热生长Fe2O3纳米棒阵列(Fe2O3-NRs)，随后通过二次水热处理将原子级分散的Mn物种引入其中，得到Mn1-Fe2O3-NRs催化剂。透射电子显微镜(TEM)显示其呈现直径约10 nm的均匀纳米棒结构。高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像中可以清晰地观察到孤立的亮点，证实了Mn原子的单原子分散状态。能量色散X射线光谱(EDS) mapping进一步表明Fe、Mn和O元素均匀分布，且未出现相分离。
图1：Mn1-Fe2O3-NRs的合成示意图TEM、HAADF-STEM、EDS mapping表征。
图2：精确的结构与价态鉴定
X射线光电子能谱(XPS)显示，由于Mn的引入，Mn1-Fe2O3-NRs中Fe、Mn的价态均有所降低。扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)揭示了其精确的配位环境：Fe K-edge谱图表明Mn1-Fe2O3-NRs具有与典型-Fe2O3相似的结构；而在Mn K-edge谱图中，仅在1.36 Å处观察到Mn-O键的散射峰，不存在Mn-Mn键，再次有力证明了Mn的原子级分散。
图2：催化剂的XPS、XRD以及Fe K-edge/Mn K-edge的EXAFS和小波变换(WT)表征。
图3：优异的OER催化性能
在标准的1.0 M KOH电解液中，Mn1-Fe2O3-NRs展现出卓越的OER活性。在10 mA cm-2时，其过电位仅为180 mV，Tafel斜率低至40 mV dec-1，电荷转移电阻最小，动力学过程极其迅速。此外，其双电层电容(Cdl)低于未修饰的Fe2O3-NRs，突显了是活性位点的“内在活性”而非“数量”提升了催化效率。在0.5A cm-2的大电流密度下连续运行3000小时，性能几乎无衰减。
图3：在1.0 M KOH中的OER极化曲线、过电位、Tafel斜率、阻抗、双电层电容以及大电流稳定性测试。
图4：工业级海水电解应用
研究人员将Mn1-Fe2O3-NRs作为阳极组装了全水解器件进行海水电解测试。在添加了0.5 M NaCl以模拟海水的1 M KOH电解液中，该器件在0.5 A cm-2的工业级电流密度下，电解电压仅为1.895 V。更为惊艳的是，在长达3000小时的计时电位稳定性测试中，电压仅增加了0.5 mV。其计算衰减率(DV)仅为0.17 uV h-1，远低于美国能源部(DOE)设定的1.0 uV h-1目标，并优于绝大多数已报道的海水分解催化剂，展现出巨大的工业应用潜力。
图4：Mn1-Fe2O3-NRs在模拟海水体系中的大电流极化曲线、阶跃计时电位曲线、3000小时稳定性测试及衰减率对比。
图5：催化机制与DFT理论计算
密度泛函理论(DFT)和实验表征深入揭示了单原子Mn助催化剂的微观作用机制。
电子结构优化：Mn的引入引发了表面电荷密度的重新分布，使得Fe位点的d带中心从-1.39 eV适度下移至-1.43 eV。
降低动力学势垒：这种d带中心的下移适度削弱了*O中间体过强的结合，将决速步(*O*OOH)的能垒从1.51 eV大幅降低至0.46 eV(决速步转变为OH)。O2-TPD实验也证实了修饰后的表面更有利于O2的快速脱附。
热力学阻断氯毒化：计算表明，Mn1-Fe2O3-NRs上的Fe和Mn位点对*OH的吸附自由能均显著低于对*Cl的吸附自由能。这种热力学上的强烈偏好，使得催化剂表面有效屏蔽了氯离子的毒化作用，确保了在海水中的超高稳定性。
图5：电子结构(电荷密度、d带中心)、OER反应自由能、COHP、*OH/*Cl竞争吸附自由能及XANES和O2-TPD表征。
3.总结
本工作创新性地将单原子Mn作为电子助催化剂锚定在Fe2O3纳米棒阵列上。该催化剂在工业级电流密度下展现出极低的海水分解电压和长达3000小时(衰减率0.17 uV h-1)的超长寿命。单原子电子助催化剂通过调控相邻活性位点的电子结构，不仅优化了含氧中间体的吸附平衡，还从热力学层面实现了对*OH相较于*Cl的选择性吸附，有效抑制了氯毒化。该研究为利用地球丰富元素设计高活性、高选择性的稳定海水氧化催化剂提供了崭新的机理框架和设计指导。
