研究背景
随着全球能源需求的不断增长和能源结构的转型，清洁、可持续的能源解决方案变得尤为重要。氢能作为一种清洁、高效、可再生的能源载体，被视为未来能源体系中的重要组成部分。然而，氢能的大规模应用依赖于高效、低成本的制氢技术。在众多制氢方法中，通过可再生能源驱动的水电解制氢（绿色氢能）因其零碳排放和可持续性而备受关注。
尽管绿色氢能具有巨大潜力，但其商业化应用仍面临诸多挑战，尤其是电解水制氢过程中的氧演化反应（OER）动力学缓慢，导致整体电解效率低下。OER是一个四电子转移过程，涉及多个中间体的形成和转化，具有较高的能量壁垒，表现为较大的过电位，从而降低了电解效率。因此，开发高效、稳定的OER电催化剂，加速电子转移并降低反应能垒，成为推动绿色氢能发展的关键。
研究内容
本研究针对OER动力学缓慢的问题，提出了一种创新的机械-电化学耦合策略，通过压电效应触发电解质的极化，促进OH⁻的Grotthuss型传输，从而优化催化剂的电子结构并改变电解路径，显著提升OER催化活性。具体研究内容及催化反应活性提升数值如下：
研究制备了多孔聚偏氟乙烯（PVDF）/钛酸钡（BTO）复合薄膜，利用BTO的高压电性和PVDF的柔韧性，通过超声激发产生压电场，实现电解质的极化。
实验结果显示，PVDF/20BTO复合薄膜在超声激发下产生的压电电流密度高达-0.65 ± 0.07 mA/cm²，显著高于纯PVDF薄膜的-0.36 ± 0.14 μA/cm²。
OH⁻传输机制转变：
压电场诱导OH⁻从高配位状态转变为低配位状态，促进Grotthuss型OH⁻传输，增强界面OH⁻浓度。
拉曼光谱分析表明，极化后电解质中低配位水分子（部分和低配位H₂O）的比例从41.4%增加至72.7%，显著促进了OH⁻的快速传输。
催化剂电子结构优化：
极化电解质促进了Ni(OH)₂向NiOOH的电化学重构，增强了Ni-O共价性，降低了O-H键强度。
X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）分析显示，极化后NiOOH中Ni-O键长缩短至1.91 Å，配位数降低至5.08，表明Ni氧化态升高和Ni-O共价性增强。
OER催化活性显著提升：
线性扫描伏安法（LSV）测试表明，在100 mA/cm²电流密度下，极化电解质中的NiOOH电极过电位降低了222.4 mV（从599.7 ± 10.5 mV降至377.3 ± 7.3 mV）。
在1.65 V电压下，极化电解质中NiOOH的电流密度达到1.7 mA/cm²，是非极化条件下的29.3倍。
转换频率（TOF）值在1.65 V电压下提升至56.7 ± 12.6 s⁻¹，是非极化条件下的7.3倍。
稳定性与耐久性：
加速耐久性测试显示，经过3000次循环后，极化电解质中的NiOOH电极仍保持高活性，表明其优异的稳定性。
长时间稳定性测试表明，在极化电解质中，NiOOH电极在24小时内持续保持高活性，平均每周期电流密度衰减率仅为7.1%。
工作创新点
机械-电化学耦合策略：首次提出利用压电效应触发电解质极化，通过机械能输入优化电催化剂的电子结构和电解路径，实现高效水氧化。
OH⁻传输机制转变：通过压电场诱导OH⁻从高配位状态转变为低配位状态，促进Grotthuss型OH⁻传输，显著提升界面反应动力学。
双低能垒晶格氧机制：激活NiOOH上的两种低能垒晶格氧路径（LOM和DOM），绕过传统AEM机制中的高能*OOH中间体，显著降低OER反应能垒。
高效、稳定的水分裂性能：在极低过电位下实现高电流密度，同时保持优异的稳定性和耐久性，为绿色氢能生产提供了可行的解决方案。
原文信息
Li, Y., Wang, S., Yuan, M. et al. Piezoelectric activation of dual lattice-oxygen mechanism through OH− Grotthuss transport in water electrolysis. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70979-y
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