催化学报 ›› 2026, Vol. 87: 282-294.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65072-3

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乙酸根介导的仿生质子穿梭机制构筑高效析氧催化剂

张建平a,b, 张坤a,*(), 翁应龙b, 李楠楠d, 黄婷婷b, 路亦通a, 孙庭宇e, 韩晓彤b,*(), 邱介山c,*()   

  1. a 东北电力大学化学工程学院, 吉林 132012, 中国
    b 重庆大学化学化工学院, 重庆 401331, 中国
    c 北京化工大学化学工程学院, 化工资源有效利用国家重点实验室, 北京 100029, 中国
    d 成均馆大学化学系, 基础科学研究院, 水原 16419, 韩国
    e 华南理工大学化学与化工学院, 广东广州 510641, 中国
  • 收稿日期:2025-12-01 接受日期:2026-01-12 出版日期:2026-08-18 发布日期:2026-06-24
  • 通讯作者: *电子信箱: zhangkun@neepu.edu.cn (张坤),
    hanxiaotong@cqu.edu.cn (韩晓彤),
    qiujs@mail.buct.edu.cn (邱介山).
  • 基金资助:
    吉林省自然科学基金(20260102125JC);国家自然科学基金(22208035);重庆市自然科学基金(CSTB2024NSCQ-MSX0728);重庆市留学人员回国创业创新支持计划(cx2024115)

Bioinspired acetate-mediated proton shuttling toward robust oxygen evolution

Jianping Zhanga,b, Kun Zhanga,*(), Yinglong Wengb, Nannan Lid, Tingting Huangb, Yitong Lua, Tingyu Sune, Xiaotong Hanb,*(), Jieshan Qiuc,*()   

  1. a School of Chemical Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, Jilin, China
    b School of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University, Chongqing 401331, China
    c College of Chemical Engineering, State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China
    d Department of Chemistry, Institute of Basic Science, Sungkyunkwan University, Suwon 16419, Republic of Korea
    e School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, Guangdong, China
  • Received:2025-12-01 Accepted:2026-01-12 Online:2026-08-18 Published:2026-06-24
  • Supported by:
    Natural Science Foundation of Jilin Province(20260102125JC);National Natural Science Foundation of China(22208035);Natural Science Foundation of Chongqing(CSTB2024NSCQ-MSX0728);Support Plan for Overseas Students to Return to China for Entrepreneurship and Innovation(cx2024115)

摘要:

在电解水制氢系统中, 阳极析氧反应(OER)催化剂的长期运行稳定性是制约其槽效率提升与成本降低的核心挑战之一. 催化剂性能衰减的根源在于OER过程中持续的脱质子化步骤, 导致质子(H+)在电极-电解液界面动态累积, 形成显著的局部酸性微环境. 这种界面酸化不仅直接侵蚀催化活性位点, 更会加速活性金属组分(如Ni,Fe)的溶出, 造成催化剂结构的不可逆破坏. 现有改善策略, 如在催化剂表面修饰路易斯酸性氧化物, 虽可通过捕获OH-局部缓解传质限制, 但这类惰性覆盖层通常会遮蔽部分活性位点, 且无法在体相电解质与活性界面之间构建起高效、连续的离子传输通道. 因此, 发展一种能够在不牺牲活性位点的前提下, 定向调节界面离子传输、特别是促进OH-快速供给以中和累积质子的新方法,成为突破当前稳定性瓶颈的关键所在.

本文以镍铁层状双氢氧化物为模型体系, 提出一种仿生策略, 通过引入具有路易斯碱性的乙酸根阴离子作为动态质子传导媒介, 实现对界面微环境的精准调控. 研究表明, 乙酸根可通过其-COO-/-COOH基团的可逆质子化/去质子化循环, 构建高效的质子传递路径, 并协同增强界面氢键网络, 从而显著促进氢氧根离子向催化剂表面的传输. 同时, 乙酸根中的孤对电子可选择性配位于层状双氢氧化物骨架中的铁活性中心, 有效调控局部电子结构, 提升材料本征催化活性. 借助原位拉曼与红外光谱, 成功捕捉到反应过程中瞬态CH3COOH物种的生成; 进一步通过差分电化学质谱检测到CH3COOD信号, 直接证实乙酸根介导的质子穿梭机制. 理论计算表明, 乙酸根配位不仅有助于稳定催化活性位点, 还可显著降低OER反应的关键能垒. 得益于上述双功能协同效应, 乙酸根插层镍铁层状双氢氧化物表现出优异的OER性能, 在10 mA cm-2电流密度下过电位仅为213 mV, 并在阴离子交换膜电解槽中实现了50 mA cm-2条件下超过1200 h的持续稳定运行.

综上, 本文发展的乙酸根介导界面微环境调控策略及其在镍铁层状双氢氧化物体系中的成功应用, 为解决OER中因界面酸化导致的稳定性瓶颈问题提供了明确可行的新途径. 尽管实际电解水系统中仍面临复杂工况下的传质限制、长期运行下的阴离子流失以及膜电极集成工艺等挑战, 但随着对界面离子传输机制认识的深化, 以及原位表征与理论模拟技术的协同发展, 未来有望设计出更多具有动态自适应能力的智能催化界面. 本文不仅为开发高稳定性OER催化剂提供了创新的设计思路与实验依据, 也为理解并调控电催化反应中的界面微环境提供了重要的理论参考.

关键词: 层状双金属氢氧化物, 仿生催化, 质子穿梭, 质子迁移, 析氧反应

Abstract:

Persistent proton accumulation from extensive reactant deprotonation during oxygen evolution reaction (OER) induces severe local acidification at electrode-electrolyte interface, accelerating catalyst degradation and performance decay. Employing NiFe layered double hydroxide (NiFe-LDH) as a model, we present a bioinspired strategy wherein Lewis-basic acetate anion (CH3COO-, Ac-) functions as dynamic proton shuttle to regulate interfacial microenvironment (Ac--LDH). Ac- undergoes reversible -COO-/-COOH cycle upon protonation, promoting efficient proton transfer and reinforcing hydrogen-bond networks that expedite OH- delivery to LDH surface. Simultaneously, Ac- lone pairs selectively coordinate with Fe centers in LDH framework, tuning electronic structure and enhancing intrinsic activity. In-situ Raman and infrared spectroscopy capture transient CH3COOH formation, while differential electrochemical mass spectrometry evidences proton shuttling via CH3COOD detection. Theoretical calculations reveal that Ac- coordination stabilizes active site and reduces OER energy barrier. Leveraging this dual functionality, Ac--LDH exhibits superior activity with 213 mV overpotential at 10 mA cm-2 and remarkable durability, maintaining 50 mA cm-2 for over 1200 h in anion-exchange membrane electrolyzer. This work establishes bioinspired molecular shuttles for interfacial microenvironment engineering as versatile paradigm for developing OER catalysts with high activity and durability.

Key words: Layered double hydroxide, Biomimetic, Proton shuttling, Proton migration, Oxygen evolution reaction