2026年1月14日，东南大学彭生杰教授团队在Nature Catalysis期刊上发表了题为“Tailored water–surface interactions on cobalt oxide for stable proton-exchange-membrane water electrolysis”的研究成果。

该研究通过在Co₃O₄中引入水亲和性较低的La原子位点，调控催化剂界面水的氢键网络，从而抑制金属溶解并提高催化剂稳定性。该策略突破了传统的金属-氧键调控，展示了非贵金属催化剂在PEM电解水中的优异性能。论文的通讯作者是东南大学彭生杰教授。王鲁齐博士、郝乙鑫博士和潘金亮博士为论文第一作者。

质子交换膜电解水（PEMWE）因具备高电流密度、快速动态响应和紧凑系统结构，被认为是可再生能源制氢的重要技术路径。然而，在强酸和高电位条件下运行的阳极析氧反应（OER）对催化剂提出了极高要求，目前工业体系主要依赖于铱基催化剂，受限于资源稀缺和成本高昂，严重制约了PEMWE的大规模推广。以钴氧化物为代表的非贵金属氧化物在活性和成本方面具有明显优势，但在酸性环境中普遍存在持续金属溶出和结构失稳的问题。既有研究主要从金属-氧键的电子结构与共价性出发提升稳定性，而在实际反应界面中始终参与反应并直接影响溶解过程的界面水，其作用尚未被系统认识和利用。

围绕这一关键问题，研究团队在这项工作中系统揭示了界面水在非贵金属氧化物溶解过程中的核心作用机制。研究发现，酸性条件下Co₃O₄的失稳不仅源于金属-氧键断裂本身，还与表面水分子形成的氢键网络密切相关。水分子在Co位点附近易形成氢键富集区域，增强对Co-O键的极化并降低其断裂与溶出能垒，从而促进Co以水合离子形式进入溶液。通过对比不同元素掺杂体系，发现第四周期金属掺杂虽可提升初始活性，却往往伴随严重的金属溶解；而镧系元素（La、Ce、Pr）掺杂则显著降低金属物种的溶出行为。这一差异进一步指向不同原子轨道结构对界面水作用方式的本质不同：La原子外层5s²5p⁶电子壳层对4f轨道形成屏蔽，使其与水分子的相互作用显著弱于Co位点。

基于上述认识，研究在Co₃O₄表面引入La原子位点，构建出Co与La共存、但对水分子作用能力显著不同的原子环境，从而在原子尺度上调控界面水的局域分布，形成具有特定水分子相互作用特征的CoLa-SWMI体系。原位STM与nc-AFM直接观察到水分子沿Co-O构型形成链状吸附，而在La位点附近则明显稀疏。DFT与分子动力学计算进一步表明，La诱导的氢键稀疏区域可显著提高Co-O断键与溶出的能垒。与此同时，通过引入可溶出的Ca物种，在运行过程中动态生成配位不饱和的Co活性位点，实现了稳定性与活性的协同优化，构建出CoLaCa-SWMI催化体系。

电化学测试表明，CoLaCa-SWMI在酸性OER中表现出优异的活性与耐久性，在三电极体系下可在10和200 mA cm⁻²条件下分别稳定运行超过1900和1010小时。在实际PEM电解槽中，该催化剂作为阳极在80°C条件下以1 A cm⁻²连续稳定运行830小时，电压衰减和Co溶出均受到有效抑制，展现出良好的器件适配性和长期运行潜力。整体而言，该研究从界面水这一关键但长期被忽视的因素出发，提出并验证了通过原子位点调控界面水分布来提升非贵金属阳极稳定性的有效路径，为PEMWE中低成本、高稳定阳极材料的设计提供了新思路。

图1：过渡金属氧化物的酸性析氧反应稳定策略。

图2：三电极系统下CoLaCa-SWMI的酸性OER性能。

图3：通过原位表征了解催化机理。

图4：CoLaCa-SWMI在PEM电解水器件中的性能。

（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-025-01476-6