郑州大学卢思宇/常江伟Angew.:Co₃O₄@CPDs构筑抗腐蚀阳极,实现工业级海水电解析氧/制氢!

海水直接电解制备绿氢能够大幅缓解淡水紧缺难题，但电解液中大量氯离子易发生竞争性析氯副反应，造成阳极催化剂腐蚀、结构崩塌、寿命锐减，制约产业化落地。

近日，郑州大学卢思宇/常江伟通过一步水热法制备碳聚合物点（CPDs）原位修饰四氧化三钴复合材料（Co₃O₄@CPDs），借助界面电子调控与表层双重防护结构，既优化析氧催化动力学，又实现优异抗氯腐蚀能力，在大电流工况下完成长效海水电解。相关工作以“Shielding Co₃O₄ by Inert Carbonized Polymer Dots Enables Chlorine Resistance Toward Durable Ampere-Level Oxygen Evolution”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

作者通过材料表征证实CPDs均匀锚固在超薄片状Co₃O₄表面，依托界面相互作用改变Co位点电子排布，降低Co平均价态、适度拉长Co−O键，弱化晶格氧活性；多级孔形貌大幅提升活性位点暴露度与电解液传质效率。同步辐射、XPS等系列测试佐证界面稳定耦合结构成功构建，为性能提升奠定结构基础。

电化学性能测试显示，在含氯模拟碱性海水中，该催化剂在100、500、1000 mA cm⁻²对应的析氧过电位分别为252、270、283 mV，塔菲尔斜率仅30.6 mV dec⁻¹，本征活性远超纯Co₃O₄与商用RuO₂。长效稳定性方面，600 mA cm⁻²持续运行4200 h，800 mA cm⁻²稳定3200 h无明显衰减。配套阴离子交换膜电解槽在60℃、1 A cm⁻²工业电流下槽压仅1.73 V，连续工作1500 h，电压衰减低至0.16 mV/h，满足工业化运行标准。

抗腐蚀机制分为双重屏障体系：带负电CPDs依靠静电排斥阻碍氯离子吸附，同时OER过程中CPs电化学氧化生成CO₃²⁻，在催化剂表层形成致密阴离子防护膜，双重阻隔Cl⁻侵入。原位DEMS证实反应全程无氯气析出，从源头杜绝析氯副反应。同位素示踪、原位红外结合DFT理论计算表明，原始Co₃O₄遵循LOM晶格氧机理，晶格氧参与反应易诱发骨架破损；CPDs改性后削弱Co−O共价作用，抑制晶格氧参与OER，催化路径转变为热力学更稳定的AEM吸附演化路径，决速步能垒显著下降，兼顾高催化活性与结构稳定性。

该改性策略工艺简单、原料储量丰富，跳出传统电解液改性与掺杂改性思路，从界面防护与反应路径调控协同解决氯离子腐蚀痛点，为耐蚀型海水OER催化剂开发和低成本绿氢工业化生产提供可行方案。

图1.Co₃O₄@CPDs合成和结构表征。

图2. OER性能。

Shielding Co₃O₄ by Inert Carbonized Polymer Dots Enables Chlorine Resistance Toward Durable Ampere-Level Oxygen Evolution

Wenwen Li, Zhiang Hu, Jingkun Yu, Jiangwei Chang, Hongxiang Wei, Xue Yong, Zhiyong Tang, Geoffrey I. N. Waterhouse, Junbiao Chang, Siyu Lu

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI:https://doi.org/10.1002/anie.2263598

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