研究背景
在“双碳”目标驱动下，绿氢被视为连接可再生能源与钢铁、化工、交通等难减排行业的“终极二次能源”。质子交换膜（PEM）电解水技术因其高电流密度、高氢纯度和快速启停能力，成为绿氢制备的“黄金路线”。然而，PEM 电解槽的阳极侧常年处于强酸（pH≈1）和高电位（>1.4 V vs. RHE）的双重“炼狱”环境，目前只有铱、钌等贵金属氧化物能长期存活，其高昂价格和地壳稀缺度（铱年产量仅约5 吨）直接把绿氢成本锁在“奢侈品”区间。学界近十年尝试用钴、锰、镍等3d过渡金属氧化物替代贵金属，却陷入“活性-稳定性跷跷板”困境：氧空位可提升活性，却加速晶格崩塌；掺杂可延长寿命，却牺牲活性位点。如何在酸性介质中同时实现“低过电位+千小时级寿命”，已成为电催化领域“圣杯”式难题，也是绿氢产业规模化必须翻越的“成本高山”。
成果简介
针对上述瓶颈，苏州大学钟俊、冯坤，北京大学樊星等人把稀土元素钕（Nd）“塞进”钴氧晶格，像给易碎的玻璃骨架加了一层“弹性橡胶”。团队先用微波“打松”碳布纤维，再用溶液燃烧“速冷”固定钴、钕离子，两步法即可在碳布表面长出多孔纳米片。原位X射线吸收和拉曼光谱像“高速摄像机”，首次捕捉到Nd-O键在反应电位下可逆伸缩的“呼吸模式”：电压升高时，Nd-O缩短、Co-O被拉长的协同变形把应力均匀分散，避免晶格“硬拗”断裂；电压回落后，键长又弹回原位。密度泛函计算进一步揭示，钕的存在把传统“吸附演化机制”改道为“氧化物路径机制”，将决速步能垒从2.17 eV降至1.88 eV。得益于此，Nd-CoOx在0.1 M高氯酸中仅需317 mV即可输出10 mA cm⁻²，并稳定运行超过800 h；组装成PEM电解槽后，1 A cm⁻²的槽压比商用IrO₂低120 mV，连续工作100 h性能几乎零衰减。该策略对镧、镨等其他稀土同样适用，为“去铱化”绿氢设备提供了可规模化的中国方案。
图文导读
图1 Nd-CoOₓ催化剂的形貌与结构信息
图2 Nd-CoOₓ在酸性条件下的电催化OER性能
图 3｜Nd–CoOx 催化剂的OER性能
图 4｜原位 XAS 与 Raman 光谱测试
图 5｜DFT 计算结果与工作机制示意
总结展望
本研究首次在Nd-CoOx中揭示“呼吸模式”可逆局域结构变形：Nd-O/Co-O键协同伸缩缓冲酸性OER应力，同步触发氧化物路径机制，将过电位降至317 mV并稳定运行>800 h，性能超越IrO₂；DFT证实Nd诱导的晶格压缩与氧空位耦合降低决速步能垒1.88 eV，为3d催化剂设计提供“稀土-缺陷协同”新范式。该策略可推广至La、Pr等廉价镧系，有望以<1.7 V槽压驱动PEM电解槽千安级绿氢生产，未来需进一步解析稀土动态配位环境与晶格氧迁移极限，实现膜电极尺度活性-寿命-成本的协同优化。
文献信息
Feng, Y., Wang, J., Feng, K. et al. Breathing mode in Nd-CoOx for active and stable proton exchange membrane water electrolysis. Nat Commun 16, 10998 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-66408-1
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