郑州大学Angew:碳点守护Co₃O₄:抗氯腐蚀催化剂实现安培级海水电解制氢,稳定运行超4200小时

研究背景

氢气因其高能量密度和零碳排放特性，被视为实现碳中和与可持续能源体系的关键载体，绿色电解水制氢是应对能源危机与环境污染的重要途径。 然而，当前主流水电解技术严重依赖大量纯水作为原料，这与农业、工业及生活用水需求形成了显著矛盾，同时也限制了其在海上风电场和沿海光伏电站等大规模场景中的部署。 地球上绝大多数水资源以海水形式存在，若能直接利用海水进行工业级电解制氢，将具有巨大的战略价值。

然而，海水中高达约0.5M的氯离子浓度构成了严峻挑战。在阳极析氧反应（OER）过程中，Cl⁻不仅引发化学腐蚀，还会通过竞争性氯氧化反应（ClOR）生成Cl₂和OCl⁻等活性物种，加速催化剂降解，严重制约长期运行稳定性。 此外，碱性环境中氯气析出与OER之间仅490mV的热力学差异，不足以在工业电流密度下实现高OER选择性，严重制约了系统效率。

为克服贵金属依赖和抗氯腐蚀难题，研究者转向了地球丰产的第一行过渡金属氧化物，其中尖晶石型Co₃O₄因其独特的电子构型、丰富的氧化还原活性位点和本征高OER活性，成为最具前景的非贵金属催化剂之一。 但现有系统因界面保护的三大根本挑战——活性与稳定性失衡、高Cl⁻浓度下静态屏蔽失效、以及阴离子交换层阻碍OH⁻传输——实际运行寿命通常不足500小时。

研究内容

郑州大学团队开发了一种Co₃O₄@碳化聚合物点（CPDs）电催化剂，通过一步水热法将CPDs均匀锚定在Co₃O₄表面，构建了超薄纳米片结构（厚度约2.0nm）。

催化活性

耐久性表现（行业领先！）

·600 mA cm⁻²下稳定运行4200小时

·800 mA cm⁻²下稳定运行3200小时

·1000 mA cm⁻²下稳定运行2800小时

·加速老化测试80,000次CV循环后，η_j₅₀₀仅从270mV微增至279mV。

电解槽性能

基于Co₃O₄@CPDs的阴离子交换膜模拟海水电解槽（AEMSE）在60°C、1.0M KOH+0.5M NaCl条件下：

·仅需1.73V即可达到1.0 A cm⁻²

·稳定运行超过1500小时，电压衰减速率仅0.16 mV h⁻¹

工作创新点

1. 多层级抗氯保护新策略： 表面锚定的CPDs通过静电排斥抑制Cl⁻吸附，同时在碱性海水中CPDs部分氧化生成CO₃²⁻，形成稳定的阴离子富集保护层，实现"静电排斥+物理阻隔"的协同保护机制。

2. 反应机制调控（LOM→AEM）： CPDs锚定削弱了Co-O共价性，稳定了晶格氧，将OER机制从不利的晶格氧介导机制（LOM）切换为更稳定的吸附质演化机制（AEM），从根本上避免了结构降解。

3. 突破性耐久性： 在极端高Cl⁻浓度（逐步添加至3.0M NaCl）下仍保持完全功能，4200小时@600mA cm⁻²的稳定性远超现有报道（通常<500h）。

原文信息

W.Li, Z.Hu, J.Yu, et al.Shielding Co3O4 by Inert Carbonized Polymer Dots Enables Chlorine Resistance Toward Durable Ampere-Level Oxygen Evolution, Angewandte Chemie International Edition (2026): e2263598. https://doi.org/10.1002/anie.2263598

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