近日，米乐网页版登录官网张礼知教授团队联合海德威科技集团在《Nature Sustainability》上发表最新研究成果。该研究精准构筑了间距为 2.85 Å 的非对称 Mo–Ni 原子对，成功诱发水氧化反应中的氧化物路径机制（OPM），在工业级电流密度下实现高活性与长寿命的统一，并完成到71 cm2阴离子交换膜电解槽（AEMWE）及333 cm2碱性电解槽（ALKWE）的工业化放大验证。论文共同第一作者为米乐网页版登录官网2021级博士研究生邹幸玥和武汉大学动力与机械学院2026级博士研究生张金喆；通讯作者为上海交通大学米乐网页版官方网站张礼知教授和么艳彩副教授，以及武汉大学动力与机械学院顾向奎研究员；第一完成和通讯单位均为米乐网页版登录官网。
研究背景
可再生能源驱动电解水制氢是实现绿色氢能和全球脱碳的重要路径。碱性水电解具有成本低、易放大等优势，但阳极析氧反应（OER）动力学缓慢，长期制约电解槽的能效和使用寿命。面向2030年工业应用需求，电解槽需在2.5 A cm−2以上的安培级电流密度下运行，阳极催化剂还须在降低过电位的同时保持长期稳定。
传统镍基催化剂普遍受限于两类机制：吸附质演化机制（AEM）受含氧中间体吸附能之间的标度关系制约，理论过电位较高；晶格氧机制（LOM）易引发结构重构和失稳。相比二者，氧化物路径机制（OPM）通过相邻吸附态氧中间体（*O）的直接偶联形成O–O键，为优化反应能垒提供了另一条路径。然而，商业镍毡上相邻Ni位点间距约为2.93 Å，其几何构型与电子结构不利于相邻*O的直接偶联。如何精确构筑非对称活性位点，并找到最佳的原子间距，是突破这一瓶颈的关键。
研究内容
针对上述难题，研究团队首先通过密度泛函理论计算，筛选Mn、Fe、Co、Mo、W等金属与Ni构成的异质原子对。计算结果表明，Mo–Ni非对称原子对能够显著降低OPM反应能垒；调节Mo–Ni原子对间距后，2.85 Å构型获得最低的计算过电位。该结构通过协同调控相邻*O的电子占据和轨道重叠，促进了O–O直接偶联，为材料合成提供了原子尺度的设计目标。
图1 非对称Mo–Ni原子对的理论设计与反应路径分析
图1展示了不同位点及间距对应的反应路径。与Ni–Ni位点相比，非对称Mo–Ni构型改变了含氧中间体的吸附行为，使OPM路径更具热力学优势。将原子对间距缩短至2.85 Å时，OPM的计算过电位降至理论最低值，而AEM路径仍保持不活跃。
图2 Mo-Ni原子对的原子结构与电子态表征
基于理论预测，研究团队开发了氢调控合成策略，在商业镍毡上构筑Mo–Ni原子对。氢气还原可诱导表面脱氧并引入压缩应变，同时通过Ni–Ni键断裂产生的原子级空位，促进Mo单原子发生离子交换植入。X射线吸收精细结构谱显示，优化样品中Mo与Ni的拟合间距为2.85 ± 0.01 Å；球差校正HAADF-STEM、XRD和元素映射共同证实Mo以单原子形式分散，未形成团簇或纳米颗粒。X射线吸收近边结构和X射线光电子能谱进一步表明，缩短的Mo–Ni骨架促进了电子由Ni向Mo转移，使Mo的价态降低、Ni的价态升高。几何构型与电子结构的协同变化，为改善OER性能提供了结构基础。
图3 工业级电流密度下的水氧化性能与OPM机制验证
电化学测试表明，2.85 Å Mo–Ni在1 mol L−1 KOH中仅需300和310 mV过电位即可分别达到1和2 A cm−2，显著低于商业镍毡（1 A cm−2时为810 mV）和3.14 Å Mo–Ni（1 A cm−2时为510 mV）。其Tafel斜率低至22 mV dec−1，在1.55 V vs. RHE下的质量活性达到7143 mA mgcat−1，分别是商业镍毡和3.14 Å Mo–Ni的285倍和13倍；1.50 V vs. RHE下的转换频率为0.71 s−1。更为重要的是，2.85 Å Mo–Ni在3 A cm−2工业级电流密度下稳定运行超过2000 h，平均衰减率仅为2.08 mV kh−1，Mo溶出浓度约为0.15 μmol L−1。原位ATR-FTIR和18O同位素标记DEMS结果证实，该催化剂通过相邻*O直接偶联生成O2，反应遵循OPM路径，而非传统AEM路径。
在1 cm2 cell−1 AEMWE中，2.85 Å Mo–Ni阳极在2 A cm−2下实现1.78 V槽压，达到美国能源部提出的2 A cm−2下槽压不超过1.80 V的目标；在3 A cm−2下槽压为1.95 V，较商业镍毡对照体系降低约27%的能耗。该电解槽在1和3 A cm−2下均稳定运行超过1200 h，展现出面向工业应用的活性与耐久性。
图4 从实验室到工业级电解槽的规模化验证
为验证工程放大能力，研究团队组装了有效面积71 cm2 cell−1的AEMWE。在40、60和80 °C条件下，2.85 Å Mo–Ni体系的槽压较商业镍毡低200–400 mV；在3 A cm−2下，槽压降至2.35 V，较商业镍毡低13%。测试中，单槽产氢量达到8.91×10−2m3 h−1，系统能耗较对照体系降低11%–18%，连续产氢纯度高于99%。
研究团队还建立了包含激光切割、喷砂清洗、催化剂涂覆、测试与包装等环节的规模化生产线，并制备出333 cm2整体式电极。在333 cm2 cell−1工业级碱性水电解槽（ALKWE）中，2.85 Å Mo–Ni阳极在T/CAB 0166-2022标准测试下优于商业镍毡。基于1 MW级碱性电解槽的技术经济分析，平准化制氢成本预计为1.8美元 kg−1，与2030年全球绿氢成本目标相符。
结论与展望
该研究以非对称Mo–Ni原子对为切入点，连接了原子尺度反应路径调控、高电流密度下的电极稳定性测试与电解槽放大验证，证明了OPM路径在碱性水氧化中的工程潜力。研究同时发现，电极层面的性能优势不能等比例转化为放大后的系统收益；传质、气泡覆盖、电流与电位分布，以及膜性能，均需在进一步放大时协同优化。
未来研究仍需在波动性可再生能源输入下考察催化剂的重构和启停稳定性，并协同优化催化剂、膜与电解槽结构。该工作为高效、稳定、低成本的工业级电解水制氢提供了原子尺度的催化剂设计思路。
作者简介
邹幸玥，米乐网页版登录官网2021级博士研究生，主要从事面向可再生能源与废水资源化的电催化材料与绿色制氢研究。以（共同）第一作者的身份在Nature Sustainability、Journal of Materials Chemistry A、Journal of Hazardous Materials发表SCI论文3篇，发表中国发明专利2项。
张金喆，武汉大学动力与机械学院2026级博士研究生。主要从事第一性原理理论计算和机器学习势函数相关的研究。以（共同）第一作者的身份在Nature Sustainability、Angew. Chem.、ACS. Catal发表SCI论文3篇。
么艳彩，米乐网页版登录官网副教授、博士生导师。从事电化学水污染控制技术与理论研究。以第一/通讯作者身份在Nature Catalysis、Nature Synthesis、Nature Reviews Chemistry、Nature Communications、Science Advances、JACS、PNAS、ES&T、WR等期刊发表SCI论文30余篇，6篇入选ESI高被引论文，部分研究成果被Technology Times、EurekAlert!、新华社、人民日报等多家国内外主流媒体专题报道。授权中国发明专利4项，并成果转化2项。撰写领域内英文专著1部。曾获斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家榜单”、上海交通大学“青年岗位能手”、ACS年会优秀研究生导师奖、中科院“百篇优博论文”、中科院院长优秀奖等。先后主持国家自然科学基金青年项目（B类、C类）和面上项目、科技部重点研发计划项目子课题等项目。现任Colloid and Surface Science编委、Chinese Chemical Letters、Ecoenergy、National Science Open青年编委。
张礼知，米乐网页版登录官网特聘教授，国家级人才入选者，湖北省高层次人才工程第一层次入选者（2012），湖北省高端人才引领培养计划第二层次入选者（2012），教育部新世纪优秀人才支持计划入选者（2007），洪堡学者（2006-2007，德国马普胶体与界面所）。已获授权中国发明专利50余项，其中授权美国专利2项。在Nature Sustainability、Nature Synthesis、Nature Communications、Chem、PNAS、JACS、Angew. Chem.、AM、ES&T、WR等国际学术期刊发表论文430多篇，其中38篇入选ESI高被引论文，2篇入选ESI热点论文。论文已被引用52800多次，其中他引51300多次，H因子131。担任中国环境科学学会生态环境功能材料委员会常委委员和可持续发展专业委员会委员、英国物理学会出版社旗下期刊Sustainability Science and Technology执行编委，化学学报、化学进展、环境化学、环境科学等杂志编委。2008年获得湖北省自然科学二等奖（第一完成人），2014年起连续入选爱思唯尔中国高被引学者榜单，2015年获教育部高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学二等奖（第一完成人），2018年—2023年连续入选科睿唯安交叉领域全球高被引科学家榜单，2024年起连续入选科睿唯安化学领域与环境和生态领域全球高被引科学家榜单，2019年获湖北省自然科学一等奖（第一完成人）。