2025年8月19日，国家纳米科学中心赵慎龙研究员团队在Nature Chemical Engineering期刊发表封面论文“Scalable metal–organic framework-based electrodes for efficient alkaline water electrolysis”，报道了一种可在室温下快速规模化制备的金属有机框架电极。这种电极在碱性水电解中表现出低能耗（4.11 kWh/Nm³ H₂）、超长寿命（稳定运行5000小时）和接近商业目标的制氢成本（2.71美元/kg），为绿氢的大规模低成本生产提供了可行路径。论文第一作者为郭英杰、石磊，通讯作者为赵慎龙研究员。

氢能是能源脱碳转型的重要载体，目前全球约95%氢气来自化石燃料（灰氢）；而利用可再生电力制氢（绿氢）在低碳性与能效上优势显著。但碱性水电解中氧析出反应（OER）是速率限制步骤，传统催化剂的活性与稳定性有待提升。金属有机框架（MOFs）材料因结构可调、比表面积大、活性位点可修饰受关注，但其从实验室研究转向工业化应用的难题是在保性能的同时实现低成本、大规模制备。

图1：灰氢与绿氢的制备流程及能耗、碳排放对比。

研究组在钴（Co）基MOFs中引入铈（Ce），Ce的4f轨道可调节Co的电子结构，提高氧中间体吸附能力，并通过铆钉效应稳定活性位点，显著提升催化耐久性。此外，Ce的储量丰富、价格低，为该材料规模化制备与工业化应用提供了可行性。

要点1：规模化合成方法与结构特征

团队开发了两种高效规模化的合成路线：一是超声辅助法在常温常压下数分钟内制备公斤级MOFs纳米粉末，通过添加三乙胺促进晶体成核与生长，实现高产率和良好重复性；二是常温常压电沉积法，在400 cm²镍泡沫基底上快速形成致密MOFs涂层。结构表征显示，Ce的引入使CoCe-MOFs产生晶格畸变，Co−O键长从1.61 Å压缩至1.56 Å；XANES以及理论计算分析表明Co的氧化态从+2.28升至+2.41，Ce通过4f轨道与Co的3d轨道形成Co−O−Ce电子耦合，优化了电子结构并稳定活性位点。

图2：金属有机框架的晶体结构及表征。

要点2：从基础测试到系统应用的电化学性能

制备的MOFs表现出优异的电化学性能，1 M KOH中10 mA cm⁻²电流密度下过电势仅226 mV，Tafel斜率45 mV dec⁻¹，均优于对比催化剂，法拉第效率接近100%；在膜电极（AEM）电解池中，能够以10,000 A m⁻²稳定运行超1,000小时；定制的模块化碱性电解水系统在4,500 A m⁻²下能耗低至4.11 kWh/Nm³ H²，明显优于传统雷尼镍电极，且5,000小时长期运行及1,225次启停循环测试中性能稳定。

图3：催化剂的OER性能评估。

图4：催化剂在AEMWE中的性能评估。

图5：催化剂在电解水系统性能评估。

要点3：经济环境效益

经济分析显示，其制氢成本低至2.71美元/kg，接近美国能源部目标，电费占总成本49.5%，电价每降低0.01美元/kWh可使成本下降17%；生命周期分析表明，绿氢碳排放较灰氢降低84.5%，风电/光伏驱动的电解水制氢在各项环境指标中均更优，制备的MOFs环境影响最低。

要点4：原位表征揭示催化增强机理

通过原位XAS、Raman、DEMS和FTIR等技术揭示了活性提升机制：原位XAS显示，随电势升高，Co氧化态增加并发生结构重构，先转变为氢氧化物相，随后转变为更活跃的羟基氧化物相，且Ce加速了这一转变；原位Raman和FTIR证实，CoCe-MOFs在更低电势下形成更多M-OOH关键中间体，促进OER进程；原位DEMS分析表明其主要遵循吸附物演化机制，Ce降低了晶格氧参与，提升了长期稳定性。这些结果表明Ce通过调控电子结构、加速活性相形成和关键中间体生成，协同增强了催化性能。

图6：原位表征揭示催化增强机理。

总结与展望

作者通过多维度先进表征与理论计算，不仅揭示了Ce掺杂调控电子结构、优化反应路径以增强催化性能的分子级机制，更构建了从材料微观结构设计到宏观工业化应用的理论桥梁，为MOFs基电催化剂的规模化落地提供了核心科学支撑。随着催化剂工程化放大研究的持续探索，制备工艺和器件集成方案持续优化，未来将进一步推动大规模绿氢生产的实际应用。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44286-025-00262-2