利用太阳能、风能等间歇性可再生能源驱动海水/盐水电解，是生产绿色氢气的最有前景和可持续的方法之一，有助于应对能源危机和实现碳中和。相比阴极析氢反应（HER）相对成熟的技术，阳极的析氧反应（OER）在海水环境中面临着电极腐蚀、动力学缓慢以及不希望的析氯反应（CER）竞争等问题，这阻碍了海水制氢的大规模实际应用。
目前，贵金属基催化剂（如IrO₂和RuO₂）表现出最先进的OER性能，但其高昂的价格和有限的储量成为工业化应用的瓶颈。此外，贵金属催化剂在CER上也表现出高活性。海水中高浓度的氯离子（约0.5 M）会显著影响OER的法拉第效率，并转化为高腐蚀性的次氯酸盐物种，导致严重的电极腐蚀和催化耐久性下降。
过渡金属羟基氧化物（MOOH，M = Fe、Co、Ni）由地球丰富的过渡金属组成，是碱性条件下海水电解中贵金属基催化剂的替代品。OER过程主要通过两种机制进行：吸附物演化机制（AEM）和晶格氧机制（LOM）。LOM路径涉及晶格氧原子作为氧化还原活性中心直接参与O₂的形成，克服了AEM固有的动力学和热力学限制，从而表现出高OER性能。然而，LOM路径中晶格氧的激活常常导致氧空位的形成和再填充，造成结构不稳定和催化性能下降。尽管已有多个体系在500 mA·cm⁻²下表现出显著的全水分解性能，但MOOH催化剂仍然受到有限的本征活性和短于100小时的稳定性的困扰。
针对上述挑战，上海理工大学、南京理工大学等团队合作，在《Nature Communications》上发表研究，报道了一种通过原位生长策略将泡沫铁转化为硼掺杂钴铁羟基氧化物（B-FeCoOOH）纳米片的方法，作为工业级海水分解的耐用阳极。
B-FeCoOOH的设计思路：硼氢化钠蚀刻的泡沫铁（IF）既作为结构模板又作为缺陷诱导剂，形成具有丰富结构缺陷的B-FeOOH。Co掺杂进一步调节前驱体结构，促进分子内电子重排，并伴随压缩晶格应变促进高价Fe物种的生成。在电氧化过程中，部分Fe浸出诱导了非晶纳米片状羟基氧化物的演化，并将其整合到重构的FeCoOOH表面层中，从而减少了活性物种和晶格氧的损失。
晶格氧激活：硼掺杂和晶格无序产生丰富的氧空位，降低了水氧化的动力学能垒，绕过了传统AEM的标度关系限制。
结构灵活性：无序结构增强了结构灵活性以适应动态重构，减轻了活性位点溶解。
工业级性能：在碱性模拟海水中，B-FeCoOOH在10和100 mA·cm⁻²下的过电位仅为186 mV和240 mV。在0.5 A·cm⁻²下稳定运行1440小时，0.7 A·cm⁻²下1080小时，1.0 A·cm⁻²（工业级电流密度）下600小时，性能衰减小于2%。在480 mV过电位下实现了1.6 A·cm⁻²的工业级电流密度。
普适性：该策略可扩展到其他过渡金属基羟基氧化物，能够制备大面积、自支撑电极（10×10 cm²），在铁泡沫、镍泡沫、铜泡沫等多种基底上均验证有效。
图1 | 催化剂的合成示意图与形貌表征
图2 | 催化剂的电子结构表征
图3 | 电催化OER性能
图4 | 原位拉曼分析、反应路径机制与理论计算
图5 | 催化应用拓展a 太阳能和风能结合海水生产氢氧的示意图。b 太阳能与氢氧机联动的照片。c 上海海域真实海水采样点信息。d 太阳能驱动的氢气和氧气产量（100 mA·cm⁻²下H₂产量3.0 mL·min⁻¹，O₂产量1.5 mL·min⁻¹）。e B-FeCoOOH在1.0 M KOH+海水（pH=13.6）中1.0 A·cm⁻²下600小时稳定性测试，性能保持98%以上。
作者采用基于密度泛函理论（DFT）的VASP软件包进行计算，使用PAW赝势和PBE泛函，并采用Grimme DFT-D3校正处理范德华相互作用。构建了FeOOH(002)面作为吸附表面模型，对于FeCoOOH，用Co部分替代FeOOH(002)表面的Fe位点（Fe₄₂Co₆O₉₄H₄₈），与实验表征结果一致。
计算主要发现：
（1）电荷密度差分析显示B-FeCoOOH中Fe和Co桥接氧位点处有明显的电子积累，而缺陷位点处有显著的电子耗尽，有利于从碱性电解质中吸附带负电的OH⁻；
（2）态密度（DOS）计算显示B-FeCoOOH的O 2p带中心从-3.11 eV上移至-2.73 eV，表明晶格氧被有效激活；
（3）Mott-Hubbard分裂分析显示FeCoOOH的U值（3.82 eV）高于FeOOH（3.64 eV），进一步证实其更强的晶格氧激活能力；
（4）吸附能计算表明Fe位点的氧吸附能（-1.3291 eV）高于Co位点（-1.9986 eV），确认Fe为活性位点；
（5）吉布斯自由能计算表明，未掺杂FeOOH的AEM路径RDS能垒（0.916 eV）低于LOM路径（1.21 eV），因此遵循AEM路径；而FeCoOOH的LOM路径RDS能垒（0.72 eV）显著低于AEM路径（1.181 eV），因此Co掺杂使OER路径从AEM转向LOM。
本研究通过快速离子交换法合成了富含缺陷的B-FeCoOOH，实现了在碱性和海水环境中水氧化的高活性和高稳定性。核心突破可概括如下：
晶格氧激活机制：Co取代调节了FeOOH的电子结构，抬升了O 2p能级，产生了丰富的氧空位，通过LOM路径激活晶格氧，将速率决定步骤的能垒从1.21 eV降低至0.72 eV。DOS计算显示B-FeCoOOH的O 2p带中心从-3.11 eV上移至-2.73 eV，Mott-Hubbard分裂参数U从3.64 eV增至3.82 eV，证实了更强的晶格氧激活能力。
结构重构与稳定性：部分Fe浸出触发表面重构，形成羟基氧化物纳米屏障保护活性位点。B在电解过程中逐渐浸出，产生纳米级空穴和传输通道，形成更疏松的结构促进电解质渗透和气体扩散。非晶表面层与结晶骨架共存，SAED显示弥散环特征，这种结晶-非晶相边界提供了额外的暴露位点和活性中心。
工业级综合性能：在碱性模拟海水中，B-FeCoOOH在1.6 A·cm⁻²工业级电流密度下过电位低于480 mV（确保避免CER），在0.5、0.7、1.0 A·cm⁻²下分别稳定运行1440、1080、600小时。在5 M KOH、353 K的极端工业电解质中仍保持优异性能。OER选择性在碱性条件下接近100%，无Cl₂或ClO⁻产生。
策略普适性：该原位生长离子交换策略可在多种基底上实现：铁泡沫（B-FeCoOOH、B-FeNiOOH）、镍泡沫（B-NiFeOOH、B-NiMoOOH、B-NiCoOOH）、铜泡沫（B-CuFeOOH、B-CuCoOOH），所有电极均表现出显著增强的OER性能。
未来研究方向包括：将该策略推广至更多过渡金属组合、深入理解LOM路径下晶格氧参与与氧空位再填充的动态平衡机制、探索与间歇性可再生能源（太阳能、风能、潮汐能）的集成应用，以及开发便携式医疗供氧设备和分布式绿氢生产系统。
本研究为设计用于实际海水电解的耐用催化剂建立了一般的策略框架，在工业规模绿氢生产和碳中和方面具有重要应用前景。
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