近日，国际知名学术期刊《Nature Communications》以“Stable Ni(II) sites in Prussian blue analogue for selective, ampere-level ethylene glycol electrooxidation”为题，在线报道了我校材料科学与工程学院清洁能源材料与器件团队在绿色氧化耦合电解水制氢领域的最新研究成果。
有机小分子（如醇、胺、尿素等）亲核替代反应可以大幅降低电解水制氢能耗，但大多催化材料在反应过程中会发生原位重构形成高价金属中心活性物种（如金属羟基氧化物）。在醇类小分子（例如乙二醇、甘油等）电氧化过程中，高价金属羟基氧化物在特定电压范围内可以实现高甲酸选择性，但是由于高价态活性位点同样可以催化析氧反应（OER），导致在高电流密度下产生不可避免的OER竞争，从而降低反应选择性以及带来工业氢/氧混合爆炸的风险。研究团队先前的研究结果表明，水相体系中替代反应物小分子可以促进或抑制催化剂的工况结构演化过程（Chem, 2024, 10, 2147）；然而，进一步理解反应物小分子与催化电极之间的相互作用关系并设计高效的催化电极材料仍然具有挑战。
针对这一关键问题，我校材料科学与工程学院清洁能源材料与器件团队在普鲁士蓝类似物（NiFe-sc-PBA）体系中发现独特的低价Ni（II）活性位点，可以实现稳定、高效、高选择性的乙二醇氧化（EGOR）过程。系列原位/非原位表征结合理论计算证明了Ni（II）位点在EGOR反应过程中的稳定性，即无需重构形成高价NiOOH活性物质便可以发生高选择性EGOR催化过程。分子动力学模拟进一步表明了“催化剂-反应物相互作用关系”在醇类氧化中的重要性：EG分子倾向于聚集在NiFe-sc-PBA表面，重塑的氢键网络阻止电解质中羟基的吸附氧，从而有效避免碱性溶液中羟基诱导的结构重构。所设计的Ni（II）活性中心在EGOR反应中展现出了优异的催化活性，在500和1000 mA cm⁻2的电流密度下，EGOR电位仅为1.484和1.625 V。为了进一步探究催化剂的实际应用潜力，对催化剂进行了膜电极器件组装，EGOR//HER体系相比与OER//HER体系显著降低了输入电压，在宽运行电流密度范围内（0.2到1.8 A cm-2）实现高甲酸法拉第效率（＞90%）。组装的耦合制氢系统在1.0或1.5 A cm-2的电流密度下稳定运行了500小时，没有出现明显的性能衰减。本研究工作不仅为催化剂/反应物界面相互作用提供了全新的理解，也为设计高效、稳定的有机亲核小分子电氧化催化材料提供了重要借鉴。
该工作主要由材料科学与工程学院博士生刘纪凯，化学与分子工程学院博士生康孟德在刘鹏飞副教授、练成教授、杨化桂教授等人的指导下完成。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市基础研究特区等项目资金的支持。
文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58203-9