Nature Sustainability: 不对称的Mo-Ni原子对能够在工业电流密度下实现可扩展的水氧化

加速全球向可持续绿色氢能的转型，需要高效且耐用的工业水电解技术。然而，阳极氧析出反应仍是关键瓶颈。传统的镍基催化剂存在过电位高或快速降解的问题。

成果简介

针对以上问题，上海交通大学张礼知教授、么艳彩副教授团队联合武汉大学顾向奎团队报道了在商业Ni毡上通过单原子工程构建不对称Mo-Ni原子对，其中原子级分散的Mo与相邻晶格Ni形成配对催化中心，间距缩短至2.85 Å。结构和理论分析表明，该2.85 Å Mo-Ni原子对优化了电子结构并改善了相邻O中间体的几何邻近性，使OER路径从AEM转变为OPM，热力学上有利于直接O-O耦合，绕过限速的*OOH形成步骤。优化后的2.85 Å Mo-Ni在2 A cm−2下过电位仅310 mV，在3 A cm−2下稳定运行超过2,000 h，衰减率仅2.08 mV kh−1；在实验室级阴离子交换膜水电解器（AEMWE）中，2–3 A cm−2下槽电压低至1.78–1.95 V，并在3 A cm−2下稳定运行超过1,200 h。进一步将催化剂集成到71 cm²单电池AEMWE电堆中，产氢纯度大于99%，与商业基准相比能耗和制氢成本降低10–17%。作者还建立了OER电极的量产线，证明该不对称原子对工程具有可规模化制造可行性，有望推动低成本、零排放的工业级燃料生产。

相关研究成果以“Asymmetric Mo–Ni atom pairs enable scalable water oxidation at industrial current densities”为题，发表在Nature Sustainability上。

值得注意的是，上海交通大学张礼知教授、么艳彩副教授团队刚刚在9月21日于Nature Reviews Chemistry期刊发表了题为“Interfacial hydrogen transfer for heterogeneous catalysis”的论文，综述了氢物种（H+、H·和Hδ-）的化学特性，阐明了它们在不同体系中的生成、传递及催化应用。

图文导读

图1 DFT模拟

图1显示了通过密度泛函理论（DFT）模拟筛选和优化不对称Mo-Ni原子对的完整理论设计过程。图1a给出了商业Ni毡的数码照片及其在碱性和阳极条件下典型的NiOOH结构，说明催化活性面为NiOOH(100)。图1b比较了商业Ni毡上2.93 Å对称Ni-Ni对的AEM和OPM Gibbs自由能路径，结果显示AEM过电位为0.95 V，而OPM过电位高达0.98 V，说明对称Ni-Ni基元热力学上更倾向缓慢的AEM而非直接O-O耦合。

图1c系统比较了Mo-Ni距离从3.15 Å逐步缩短至2.85 Å时OPM和AEM的过电位变化，发现随着Mo-Ni距离缩短，OPM过电位逐渐降低，体系从AEM主导转变为OPM主导。图1d进一步给出了不同Mo-Ni距离下的OPM自由能剖面：3.15 Å时AEM过电位0.74 V、OPM为0.91 V，3.05 Å时AEM为0.83 V、OPM为0.93 V，2.95 Å时AEM为1.01 V、OPM为0.81 V，而在2.85 Å时OPM过电位降至理论最低值0.48 V，同时AEM路径变得热力学不利（1.39 V）。

作者认为，这种增强源于缩短的不对称位点改善了相邻O中间体O 2py轨道的电子占据和几何重叠，从而降低O-O耦合能垒，为后续实验构建2.85 Å Mo-Ni原子对提供了定量蓝图。

图2 催化剂的制备与表征

图2为在商业Ni毡上通过氢调制熔盐策略构建2.85 Å不对称Mo-Ni原子对的结构与电子表征结果。图2a、b涉及原位电化学活化过程，即在0.7–1.7 V vs RHE循环后，表面Ni转化为NiOOH并形成丰富的Mo-Ni原子对；Raman光谱出现9 cm−1蓝移，归因于Ni-O键缩短，XRD峰向高角移动则证实H₂还原处理导致Ni晶格收缩。

图2c的傅里叶变换EXAFS显示，H₂处理的Mo-Ni原子对具有2.85±0.01 Å的Mo-O-Ni散射路径，而空气处理的对照样品为3.14±0.01 Å；同时没有Mo-Mo散射路径，证明Mo以原子级分散形式存在。

图2d、e的球差校正HAADF-STEM图像中亮斑和三维表面强度剖面表明，Mo单原子嵌入Ni/NiOOH骨架，未观察到Mo团簇或纳米颗粒，ICP-MS给出2.85 Å和3.14 Å样品的Mo负载量分别为0.31 wt%和0.34 wt%，保证活性位密度可比。

图2f的XANES分析显示，2.85 Å Mo-Ni中Mo吸收边相对3.14 Å样品红移约0–1.0 eV，表明Mo价态降低；同时Ni价态升高，XPS结果一致，说明Mo引入促进了沿Mo-Ni原子对的d-d电子转移。这些结果共同确立了具有原子精度、间距为2.85 Å的不对称Mo-Ni原子对的可控合成，并证明氢调控策略能够在工业整体式基底上精确裁剪原子对距离。

图3 实验室规模系统的OER性能

图3给出了2.85 Å Mo-Ni在实验室规模三电极体系和1 cm2AEMWE中的OER性能与机制证据。图3a的LSV曲线表明，2.85 Å Mo-Ni在1和2 A cm−2下分别仅需300 mV和310 mV过电位，显著低于商业Ni毡（1 A cm−2下810 mV）和3.14 Å Mo-Ni（1 A cm−2下510 mV）；其Tafel斜率仅22 mV dec−1，远低于Ni毡的110 mV dec−1和3.14 Å Mo-Ni的90 mV dec−1，电荷转移电阻约10 Ω，说明OER动力学显著加快。

图3b的雷达图综合比较过电位、Tafel斜率、成本、质量活性、TOF和电荷转移电阻，显示2.85 Å Mo-Ni在所有维度均优于对照；其质量活性达到7,143 mA mgcat−1（1.55 V vs RHE），分别是Ni毡和3.14 Å Mo-Ni的285倍和13倍，TOF在1.50 V vs RHE下为0.71 s−1，比Ni毡高三个数量级。

图3c的恒电流测试表明，2.85 Å Mo-Ni在3 A cm−2下稳定运行超过2,000 h，平均衰减率仅2.08 mV kh−1，且Mo溶出极低、长测后Mo仍均匀分散。图3d将2.85 Å Mo-Ni基AEMWE与近期文献体系比较，显示其在工业级电流密度、槽电压和稳定性方面处于先进水平。

图3e的ATR-FTIR追踪了OER过程中表面氧中间体的演化，图3f的DEMS 18O标记实验中2.85 Å Mo-Ni出现显著³⁶O₂信号，而商业Ni毡和3.14 Å Mo-Ni信号较弱，直接证明相邻吸附氧中间体发生直接O-O耦合，即OPM路径被激活。综合来看，该图证明2.85 Å Mo-Ni在实验室尺度同时实现了低过电位、高本征活性、超长稳定性和机制转变。

图4 商业规模AEMWE系统中的OER性能

图4展示了2.85 Å Mo-Ni在商业规模AEMWE系统及量产工艺中的可扩展性和工业应用潜力。图4a给出了面向未来制氢的碱性水电解厂示意图，包括电解液罐、泵、加热器、电堆、纯度分析仪以及氢气利用终端。图4b展示了有效面积为71 cm2单电池的AEMWE实物照片。

图4c比较了商业Ni毡和2.85 Å Mo-Ni在71 cm2单电池AEMWE中于40、60和80°C下的极化曲线，结果显示2.85 Å Mo-Ni在0.08–3 A cm−2范围内所需电压比商业Ni毡低280–490 mV，在3 A cm−2下槽电压为2.35 V，比商业Ni毡低13%；在40–80°C范围内，电压降低使制氢能耗减少11–18%，对应每电池0.25–8.91×10−2 m3 h−1的产氢范围。图4d展示了从激光切割、喷砂清洗、催化剂涂覆、压延、测试到包装的批量生产线，插图为71 cm2大面积电极，证明该催化剂能够通过量产线制备，Mo仍保持原子级分散。

作者还提到，采用2.85 Å Mo-Ni阳极的333 cm2单电池碱性水电解器在工业标准协议下性能优于商业Ni毡，1 MW级碱性水电解厂的技术经济分析预计平准化制氢成本约1.8美元 kg−1。该图整体说明，不对称Mo-Ni原子对不仅在小面积实验室器件中有效，而且能够放大到商业级电堆和量产线，为工业级绿氢生产提供了可行路径。

结论展望

该项研究指出通过将Mo-Ni原子对精确调控至2.85 Å这一关键距离，可以激活以OPM为主导的OER路径，其中优化的电子结构和几何排列加速了*O-*O耦合；该原子级设计在AEMWE中实现了2–3 A cm−2下1.78–1.95 V的槽电压，并在3 A cm−2下达到1,200 h运行稳定性。放大到71 cm2单电池AEMWE系统后，在3 A cm−2下相对商业整体式Ni降低约13%能耗；技术经济分析进一步表明，1 MW级碱性水电解厂有望实现约1.8美元 kg−1的平准化制氢成本。

作者认为，该工作将不对称原子对工程确立为下一代电催化剂的有前景策略，架起了精确材料设计与工业规模可行性之间的桥梁，满足可持续制氢的系统级性能目标。不过，作者也强调，所报道指标是在稳定直流电源下获得的，而可再生电力本质上是间歇性的，未来需验证波动输入下的催化剂重构，特别是启停循环中的瞬态稳定性；此外，电池面积放大后性能提升幅度下降，说明还需协同优化催化剂、膜和电解槽结构，将原子级精确催化与系统级工程结合，才能实现耐久、低成本绿氢生产。

文献信息

Zou, X., Zhang, J., Xie, J. et al. Asymmetric Mo–Ni atom pairs enable scalable water oxidation at industrial current densities. Nat Sustain (2026). https://doi.org/10.1038/s41893-026-01942-4

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