第一作者：陆家佳
通讯作者：陆家佳、荆胜羽、Panagiotis Tsiakaras
通讯单位：黄河科技学院、中国矿业大学、University of Thessaly
论文DOI：10.1002/anie.202423863
为了加速碱性析氢过程中Volmer步骤中的水解离和减轻高电流密度下气泡对催化剂物理结构的破坏，我们设计了生长在泡沫镍上的钴钼氧化物一体化电极。微米划痕测试证实该一体化电极增强了催化剂与基底的相互作用，从而缓解气泡对催化剂物理结构的破坏。电化学测试过程中发现，该一体化电极发生了表面重构，CoO转化为Co(OH)
2
，命名为Co(OH)
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-Co
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Mo
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O
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。理论计算表明，Co(OH)
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-Co
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Mo
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O
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催化剂降低了水解离的活化能垒，且易于水解离后氢氧脱附，加速催化反应。电化学实验结果表明，Co(OH)
2
-Co
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Mo
3
O
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表现出优异的催化活性，电流密度达到−100和−1000 mA cm
−2
，过电位分别为57.8和195.8 mV。此外，其在
−500和−1000 mA cm
−2
电流密度下
表现出200小时的优异稳定性。
另外，结合我们之前报道的NiFe LDH_CO
3
2−
阳极（
Advanced Energy Materials
,
2024
, 14(23): 2400053）构筑双电极体系，其在碱性溶液中100−1000 mA cm
−2
电流密度下稳定工作600小时；在碱性海水溶液中500和1000 mA cm
−2
电流密度下也稳定运行200小时。本研究为进一步设计和制备工业化电解（海）水制氢电极提供科学依据并指导实际应用。
目前，在碱性环境中电解水制氢仍存在许多挑战，特别是在工业级电流密度下。在催化活性方面，与酸性环境相比，催化过程中的Volmer步骤需克服额外的水解离。在稳定性方面，工业级电流密度（400−1000 mA
cm
−2
）产生大量气泡，其对催化剂物理结构的稳定性提出了更高的要求。
针对上述问题，我们开展了一系列的研究。前期的实验和理论研究发现，加速Volmer步骤中的水解离反应是一种有效提升催化活性的途径（
Journal of Materials Chemistry
A,
2023
,
11(5): 2452-2459；
Materials Today Energy
,
2024
, 44: 101635）。此外，通过采用刻蚀−水解策略构建一体化电极（
Advanced Energy Materials
,
2024
, 14(23): 2400053；
Science China Chemistry
,
2024
, 67(2): 687-695；ZL 202111489572.7），显著增强了催化剂与基底之间的结合力，从而提高了催化剂的物理结构稳定性。基于以上研究成果，本工作结合电化学重构与刻蚀−水解策略，成功开发了Co(OH)
2
-Co
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Mo
3
O
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一体化电极。
1. 本工作利用催化剂的表面重构降低水解离的活化能垒，且易于水解离后氢氧脱附，提升催化活性。
2. 通过刻蚀−水解法在泡沫镍上定向生长钴钼氧化物，构建一体化电极，增强催化剂与基底之间的结合力，增强催化稳定性。
图1
钴钼氧化物一体化电极制备的原理图及其表面重构表征。
图4 催化剂与基底之间结合力表征及稳定性后催化剂的形貌和结构表征。
图5 一体化电极重构前后的分波态密度、水和氢氧的吸附能、差分电荷密度、水解离的活化能垒和氢吸附的吉布斯自由能变。
本工作通过蚀刻−水解和电化学重构开发了Co(OH)
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-Co
2
Mo
3
O
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一体化电极。其中蚀刻−水解策略增强了催化剂与基底之间的相互作用。微米划痕测试发现，与涂敷Pt/C的电极（0.76 N）相比，一体化电极的结合力达到了1.30 N，呈现出良好的物理稳定性。此外，电化学重构后的Co(OH)
2
-Co
2
Mo
3
O
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在−100和−1000 mA cm
−2
电流密度下的过电势分别为57.8和195.8 mV，表现出杰出的催化活性。其原因是由于电化学重构的钴钼氧化物降低了水解离的活化能垒，从而加速了Volmer步骤。与此同时，氢氧化物的弱吸附有利于活性位点的重新暴露，加速催化反应。更重要的是，重构的一体化电极表现出优异的稳定性，在−500和−1000 mA cm
−2
电流密度下稳定工作200小时。与之前报道的阳极配对，该双电极系统在碱性溶液中100−1000 mA cm
−2
电流密度下表现出超过600小时的良好稳定性，在碱性海水中500和1000 mA cm
−2
电流密度下稳定工作200小时。本研究所开发的一体化电极为工业应用领域提供了重要的理论依据和实践指导，具有显著的应用价值。
Jiajia Lu*, Peng-Jun Deng, Yang Liu,
Shengyu Jing* and Panagiotis Tsiakaras*, Surface reconstruction of an
integrated CoO-Co
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Mo
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electrode enabling
efficient ampere-level hydrogen evolution in alkaline water or seawater.
Angewandte Chemie International Edition
,
2025
,e202423863.
陆家佳
，黄河科技学院副教授，硕士生导师，广西大学博士，中国科学院青岛生物能源与过程研究所博士后。研究方向为非贵金属电解（海）水催化剂、质子交换膜燃料电池氧还原催化剂和密度泛函理论计算。近年来，主持国家级科研项目1项、省级科研项目2项、市级科研项目1项和校级科研项目1项，参与国家级科研项目1项。以通讯或第一作者身份在
Angewandte Chemie International Edition
,
Advanced Energy Materials
（2）,
Science China Chemistry
,
Applied Catalysis B:
Environmental
（2）等期刊上发表SCI论文14篇；担任
Frontiers in Nanotechnology
期刊审稿编辑，
Small
期刊审稿人（具体见ORCID:
https://orcid.org/0000-0002-6510-2695）。累计被引1436次，h-index 17。申请国家发明专利4项（授权3项）。
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