楼雄文教授，第98篇Angew！

析氧反应（OER）是电解水、可充电金属-空气电池和再生燃料电池等电化学系统的限速步骤，因其涉及复杂的四电子质子耦合过程，导致反应动力学缓慢，高过电位成为关键瓶颈。

（1）商用OER催化剂多为Ir/Ru基氧化物，但其高成本、低储量和耐久性不足限制了实际应用。因此，开发高效、稳定、非贵金属基OER催化剂成为亟待解决的问题。

（2）金属有机框架（MOFs）材料因其可调组成和结构而备受关注，但传统MOFs在水中稳定性差，难以直接构建纯MOFs气凝胶。目前，多数MOFs气凝胶为复合材料，纯MOFs气凝胶的制备方法仍然有待开发。

基于此， 香港城市大学楼雄文教授（通讯作者）等人 提出了一种水诱导的快速转化工艺，成功将水不稳定的MOF粉末转化为纯MOF气凝胶，并开发了氧配位单原子Ni催化剂用于高效水氧化反应：

（1）通过快速的相-结构转变过程，获得了纯MOF气凝胶，其由一维（1D）纤维状结构组成，具有丰富的孔缺陷，大量暴露的Ni单原子位点分布于碳边缘。

（2）该气凝胶衍生的催化剂在碱性介质中表现出优异的OER活性，仅需279 mV的低过电位即可驱动10 mA cm ^-2 的电流密度，且表现出优异的长期稳定性。密度泛函理论（DFT）计算表明，边缘富集的氧配位Ni单原子位点具有优化的电子结构，显著降低了OER能垒。

作者以Ni-BTC为前驱体，通过水诱导的快速转化工艺，形成1D纤维状纯MOF气凝胶。经后续处理后，得到a-Ni/DCBs催化剂，其Ni含量约为1.54 wt%，Ni单原子位点均匀分布在碳基支撑上，并通过氧配位固定。通过水诱导快速转化工艺，MOF粉末在水的作用下发生显著的相变和形貌转变，最终形成纯MOF气凝胶。该气凝胶经过热解、酸浸和二次热处理后，得到具有丰富孔缺陷和边缘氧配位Ni单原子位点的催化剂（a-Ni/DCBs）。

图1.材料合成与催化位点结构示意图

图2.材料微观形貌表征

图3.材料理化性能表征

图4.材料的催化性能

线性扫描伏安法（LSV）曲线显示，内部配位的a-Ni/NCFs优于a-Ni/CFs，而边缘Ni-O配位的a-Ni/DCBs表现出最佳OER活性，仅需279和331 mV过电位即可驱动10和50 mA cm ^-2 的电流密度，超越a-Ni/CFs、a-Ni/NCFs及商用RuO ₂ 催化剂。塔菲尔（Tafel）斜率测量表明，a-Ni/DCBs的Tafel斜率最低（65.1 mV dec ^-1 ），意味着其OER反应动力学最有利。a-Ni/DCBs在350 mV时表现出最高周转频率（TOF）值，达到1.89 s ^⁻¹ ，是a-Ni/CFs和a-Ni/NCFs的10倍。此外，a-Ni/DCBs经3000次循环CV测试后活性几乎无衰减，200小时计时电位测试中过电位增加微小，优于商业RuO ₂ 。

图5.材料的催化性能模拟计算

作者构建了位于碳边缘的E-Ni-O ₅ 、内部基面的I-Ni-O ₅ 及内部Ni-N ₄ （I-Ni-N ₄ ）结构模型。吉布斯自由能图显示，I-Ni-O ₅ 和I-Ni-N ₄ 的速率决定步骤为OH到O的去质子化，理论热力学势垒相近，表明两者固有OER催化活性相似。而E-Ni-O ₅ 的速率控制步骤转变为OH形成，能垒显著降低，体现边缘效应优化反应势垒。d带中心计算与Bader电荷分析进一步验证，E-Ni-O ₅ 模型显示中等d带中心值，利于中间吸附，且边缘效应诱导有利电荷转移趋势，使*OH中间体吸附强度适中，改变OER催化速率控制步骤，降低反应能垒。

Oxygen-Coordinated Single-Atom Nickel Catalysts Derived from Water-Induced Metal-Organic Framework Aerogel for Efficient Water Oxidation, Angew. Chem. Int. Ed., 2025, https://doi.org/10.1002/anie.202500261.

楼雄文 ， 香港城市大学化学系讲座教授 ，长期致力于电催化材料的结构设计与性能优化研究，发表 SCI 论文 500 余篇，总引用超 13 万次（ h 指数 >180 ）。研究方向涵盖电化学储能与转化材料、纳米结构设计及其在能源领域的应用。 其他详见课题组网页：

https://www.cityu.edu.hk/chem/people/academic-staff/davidlou.

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