直接海水电解制氢是将太阳能、风能和潮汐能等间歇性能源转化为化学能的有效方法之一。然而，一般催化剂容易在OER高过电位下引发催化剂与高活性新生中间体（如O*、HO*和HOO*）之间的自重组反应。在这个过程中，催化剂的表面被重建，在电势范围内形成羟基金属氧化物，这被认为是OER的“真正催化剂”。然而，这种连续而无序的重建过程对稳定催化剂的结构是致命的，特别是海水电解质的高度腐蚀，最终会导致大多数催化剂严重失活。此外，由于海水中存在着大量的氯离子（Cl-）与OER产生竞争。综上所述，如何控制催化剂重构过程以避免深度重构引起的相分离，以及开发具有选择性抑制CER和屏蔽海水中杂质的OER催化剂，已成为大规模直接海水电解的关键挑战。

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近日，温州大学陈锡安教授课题组在国际顶级期刊《Nature Communications》发表题为“A restricted dynamic surface self-reconstruction toward high-performance of direct seawater oxidation”的论文。该工作利用原子层沉积（ALD）技术，将超薄无定形氧化钼（MoO3）层引入到三维碳布（CC）上的有序珠状氧化钴（CoO）阵列中，从而形成豇豆状结构催化剂（MoO3@CoO/CC）。通过ALD MoO3对CoO表面的精确调节，可以大大优化过电位和界面活性，从而精确影响O*和OOH*的形成过程，优化反应机理，改善OER的动力学。更重要的是，MoO3作为定向约束层，可以抑制催化剂界面动态自重构形成的Co-Mo双金属层状双氢氧化物（CoMo-LDH）的相分离，从而提高催化剂的使用寿命。此外，MoO3可以阻止Cl-到达催化活性界面，重构的稳定CoMo-LDH层则依靠静电斥力进一步屏蔽氯化学，从而实现了对海水的选择性氧化。

基于此，MoO3@CoO/CC||Pt/C/CC流动电解池在直接电解海水时可达到约419.4 mL cm-2h-1的H2产率，相应的功耗仅为4.62 KWh/m3 H2。这些结果超过了实际海水电解的结果。这一发现不仅为利用丰富的海水资源进行大规模制氢开发了一种坚固而稳定的催化剂，而且为指导高性能OER催化剂的设计提供了一种受限的动态表面重构机制。

相关研究结果发表于近期的《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-024-46708-8），温州大学为第一通讯单位，化学与材料工程学院研究生周玲为第一作者，温州大学青年教师郭大营博士、陈锡安与王舜教授为该论文共同通讯作者，相关工作受到国家自然科学基金（52202109, 52271225, 52072273, 52331009）和温州市基础科研项目（G20220024, H20220002）项目的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46708-8