近日，校定TOP期刊Advanced Materials在线发表了我院周海青、余芳、唐东升教授等人合作的学术论文“Complementary multisite turnover catalysis toward superefficient bifunctional seawater splitting at ampere-level current density”。该研究成果从电解水/海水制氢的工业化应用角度出发，从宏观和微观角度在金属氮化镍表面原位生长多金属活性位点（Fe、Co、Mo）、多功能组分的多级异质结催化剂，协同促进碱性电解水/海水反应中间体（水分子、活性氢、含氧中间体）的吸附/脱附，可控开发了兼具优异析氢、析氧活性的双功能海水电解催化材料。将其耦合成全解水器件，该器件仅需要1.65/1.69 V的槽压就能产生安培级电流密度1000 mA/cm²，且在大电流密度500 mA/cm²稳定运行200小时以上，其槽压仅发生微弱变化21/28 mV。甚至利用该异质结材料组装膜电极器件，也能在真正工业制氢环境（6 M KOH，85^oC）下以500 mA/cm²电流密度稳定运行超过80小时，展现出一定的应用前景，这为大电流碱性海水制氢提供了技术指导。

在此基础上，团队进一步强化催化机理的原位解析，借助准原位X射线光电子能谱、原位拉曼光谱以及X射线吸收谱，实时监测到该异质结在电解碱性纯水/海水过程中的多级异质界面的动态重构行为，成功解析了多金属活性位点和多级催化界面的演变机制和催化机理，并采用密度泛函理论计算阐释了可能的水解离、氢吸附活性位点，厘清了相应的催化机理。

近年来，随着“双碳”理念逐渐深入人心，绿色环保可再生的氢能引起了广泛关注，但氢能的廉价、大规模宏量绿色制备仍然是一个挑战。借助电解水制氢为媒介，可以将大自然储量丰富的光伏、水电、风电等绿电转化为可储存、运输的氢能，该过程无碳排放，对我国碳达峰、碳中和目标的实现有重要价值。然而，电解9公斤的纯水才能产生1公斤的氢气，这会进一步加剧淡水资源的使用压力。海水资源占比高达96%，是一个取之不尽的氢能宝库，直接电解海水会在一定程度上缓解淡水资源的短缺问题。与纯水电解相比，海水环境的复杂性和腐蚀性、阳极析氯副反应的竞争和干扰、钙镁氢氧化物沉积物堵塞析氢活性位点等会严重影响海水电解的能量效率，成为海水制氢的主要难题。因此，为提高电解海水制氢反应的能量效率，降低制氢成本，非常有必要研发出廉价、高活性、耐腐蚀性的双功能海水电催化材料并深入追踪其催化机理。目前，高活性的电解水/海水催化材料仍然以铂、钌等贵金属材料为主，但其昂贵的价格限制了规模应用。基于此，采用简单处理可控原位合成低成本、高活性且在大电流高效、稳定的非贵金属双功能催化剂是当前电解水/海水制氢技术走向产业化亟待攻克的科学难题之一。在众多的电催化材料中，催化性能虽得到一定的提升，但缺乏实时的微观机理分析，而追踪催化材料的催化活性位点的结构演变再反馈到材料可控设计与开发是尤为关键的一环。针对这些问题，氢能量子催化团队专注于富铁电催化材料，致力于发展高性能的富铁异质结催化材料来解决该类材料在大电流纯水/海水催化活性差和稳定性欠佳的难题，在电解纯水/海水制氢领域取得了系列创新性研究成果：Nat. Commun.2018,9, 2551（ESI高被引）；Energy Environ. Sci.2018,11, 2858（ESI高被引）；ACS Nano2023,17, 1681（ESI高被引）；Adv. Funct. Mater.2023,33, 2209465，Adv. Mater.2024,36, 2305685，授权美国、中国发明专利7项，获批企业横向课题1项。

我院博士生廖礼玲为论文的第一作者，余芳、周海青教授为本论文的通讯作者，湖南师范大学为论文的第一及通讯单位。该工作获得了国家海外高层次人才项目、湖南省首批揭榜挂帅项目、国家自然科学基金面上项目、青年项目等基金的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202405852

一审：周海青

二审：贺兵香

三审：廖洁桥