苏州大学，重磅Nature！七天内连发两篇！
2026-08-03
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简单来说，水电解制氢就是用电把水分解成氢气和氧气。如果电力来自风能、太阳能等可再生能源，得到的氢气就被视为“绿色氢气”。其中，质子交换膜水电解技术效率高、响应快，被认为很有应用前景。但它也有一个难题：工作环境是强酸性的，对催化剂要求极高。
目前，酸性水电解常用的阳极催化剂主要是铱、钌等贵金属氧化物。这类材料性能好，但价格高、资源稀缺，限制了大规模应用。因此，科研人员一直希望找到更便宜、更稳定的非贵金属材料来替代它们。
氧化钴Co3O4就是一个备受关注的候选材料。不过，传统尖晶石型Co3O4内部同时存在两类钴位点：一种是催化活性较弱的四面体配位位点，另一种是活性更高的八面体配位位点。可以理解为，同样一块材料里，并不是每个位置都“好用”，这限制了它的整体性能。
此次研究的关键突破，就是设计并制备出一种新的三方相Co3O4，也就是Tri-Co3O4。它具有二维层状结构，材料中的Co2+和Co3+都处在八面体配位环境中，相当于从结构源头上减少了“低效位点”的影响，让更多钴位点能够参与反应。
传统Co3O4与新型Tri-Co3O4的结构对比。Tri-Co3O4呈二维层状结构，更多钴位点处于高活性的八面体配位环境中。
性能方面，Tri-Co3O4在酸性析氧反应中表现突出。在10 mA cm^-2电流密度下，其过电位仅为269 mV，比传统尖晶石型Co3O4低181 mV。这里的“过电位”可以简单理解为推动反应所需的额外电压，数值越低，说明催化效率越高。在质子交换膜水电解器件中，当电解槽电压为1.80 V时，该材料的电流密度超过1,800 mA cm^-2，显示出较强的实际应用潜力。
Tri-Co3O4在酸性析氧反应和水电解器件中的性能表现，整体优于传统Co3O4，并展现出较好的稳定性。
研究还表明，Tri-Co3O4的二维层状结构不仅能优化反应中间体在催化剂表面的吸附，使析氧反应更容易进行，还能减少酸性环境下钴元素的溶出，从而提升材料稳定性。
Tri-Co3O4的催化机制示意。特殊结构有助于优化反应路径，提升酸性析氧反应效率。
这项工作的意义不只在于发现了一种新材料，更在于提供了一种新的设计思路：通过调控晶体结构和活性位点分布，让相对廉价的非贵金属材料也能在严苛的酸性水电解环境中发挥更高性能。对于未来降低绿氢制备成本、减少对贵金属资源的依赖，这类研究具有重要参考价值。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10851-7
