南京工业大学陆春华/寇佳慧&南京大学闫世成,最新Nature子刊!通过OH⁻ Grotthuss传输实现压电激活双晶格氧机制助力水电解

本研究针对电解水制氢中析氧反应（OER）动力学缓慢的关键瓶颈，提出了一种机械-电化学耦合策略。

通过向压电复合材料（PVDF/BaTiO₃）施加短时超声脉冲，产生强局域电场，同步优化催化剂电子态与电解质环境。该电场一方面诱导Grotthuss型OH⁻传输，富集界面OH⁻并削弱O-H键；另一方面驱动NiOOH催化剂原位电子重构，增强Ni-O共价性。这种协同作用将OER路径从传统的吸附演化机制转向更高效的双晶格氧介导路径（Olat-*O耦合与Olat-Olat耦合），从而在仅一分钟超声刺激后，于100 mA cm⁻²下实现了222 mV的低过电位。

此工作不仅显著提升了OER效率，更通过空间解耦的模块化设计（先极化电解质再电解），为多能量输入系统的时空控制难题提供了可扩展的解决方案，对先进能源转换技术具有重要推动意义。

要点1. 提出并验证了“压电极化电解质”这一全新的动态调控策略

作者通过超声脉冲激发压电薄膜，在电解液中产生局域强电场，实现了对电解液（诱导Grotthuss型OH⁻传输）和催化剂（增强Ni-O共价性）的原位、动态、协同调控。这突破了传统静态催化剂改性策略的局限，为解决多能量输入系统的时空协同控制难题提供了创新方案。

要点2. 揭示了压电极化诱导的晶格氧活化与双低能垒析氧反应新路径

结合¹⁸O标记DEMS、原位ATR-SEIRAS和DFT计算，作者证实极化后的NiOOH催化剂其反应机理从传统的吸附演化机制（AEM）转变为晶格氧介导机制（LOM）和双原子氧机制（DOM）。这两条新路径绕过了高能垒的*OOH中间体，显著降低了反应能垒。

要点3. 实现了“时空解耦”的模块化多能量耦合系统设计

作者提出的策略允许在外部模块中对电解液进行压电极化预处理，再将极化后的电解液泵入主电解槽进行反应。这种**“预处理-反应”分离的模块化设计**，从工程上巧妙解决了多能量场难以在时空上同步作用于反应界面的根本性挑战，为规模化应用提供了可行路径。

图 1 力 - 电化学耦合水电解

a 传统电力驱动水电解通常遵循吸附物演化机制（AEM），依赖OH−离子的载体扩散。UHB 和 LHB 分别代表上 Hubbard 带和下 Hubbard 带。b 与之相对，力 - 电化学耦合水电解利用机械能产生的压电电场，使OH−通过Grotthuss 机制传输。这增强了金属 - 氧（M-O）键的共价性，并将氧析出反应（OER）路径从 AEM 转向低能垒的双晶格氧机制，包括晶格氧机制（LOM）和双原子氧机制（DOM）。ONB代表氧非成键态，Olatt代表晶格氧。

图 2 多孔 PVDF/BTO 薄膜（20 wt% BTO，42 μm 尼龙基底）上电解质的压电极化

a PVDF/20BTO 复合薄膜的扫描电镜（SEM）图像；插图为高倍视图及孔径分布。b 超声激发下 PVDF 和 PVDF/20BTO 薄膜的压电电流输出。c PVDF 和 PVDF/20BTO 薄膜的振幅 - 电压迟滞回线。d 极化（上图）和非极化（下图）1 M KOH 的拉曼光谱；插图显示 O-H 伸缩带发生蓝移，表明极化后氢键减弱。e 从图 2d 拉曼光谱中定量得到的水配位态强度。f 水氧原子（Ow）围绕OH−氧（OOH−）的径向分布函数g(r)，以及极化和非极化 KOH 中OH−第一壳层水分子的对应配位数。配位数（CN）通过对g(r)积分至第一个极小值位置（Rmin）得到。ρ(r)代表距离r处的局域密度，ρ0代表平均体密度。g, h NiOOH 在开路电位（OCP）至 1.7 V 下，于极化（g）和非极化（h）1 M KOH 中的原位衰减全反射 - 表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）。i NiOOH 在极化和非极化 KOH 中，以及添加 1 M CH3OH时的线性扫描伏安（LSV）曲线（扫描速率 5 mV s⁻¹，85% iR 补偿）；iR 补偿使用测得的溶液电阻（Rs）：极化 KOH 为1.2±0.1Ω，非极化 KOH 为1.4±0.2Ω，极化 KOH+CH3OH为0.76±0.1Ω，非极化 KOH+CH3OH为2.0±0.5Ω，几何电极面积为 1 cm²。

https://doi.org/10.1038/s41467-026-70979-y

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