[Ta6O19]8?介导的界面OH?供应，用于高效海水电解

《Journal of Colloid and Interface Science》：[Ta 6O 19]8?-mediated interfacial OH? supply for efficient seawater electrolysis

氢键网络调控与电子结构协同优化提升层状MOF催化剂海水OER性能

　　本研究围绕海水电解过程中氧气析出反应（OER）的高效催化展开，提出了一种创新的策略，即通过引入六钽酸盐簇（{Ta?}）来调控催化剂界面的氢键网络，从而提升催化剂的性能。海水电解作为一种可持续能源转换技术，具有重要的应用前景，但其面临诸多挑战。其中，OER的多步脱质子过程会导致催化剂表面积累H?，而海水中的Ca2?和Mg2?离子则会阻碍OH?的传输，从而降低催化剂的反应效率并增加能耗。因此，设计一种能够有效提升OH?可及性的高效OER催化剂是推动碱性海水电解技术发展的关键。

本研究中，{Ta?}作为一种强氢键受体（HA），被引入到层状金属有机框架（MOF）催化剂中。通过电荷转移和氢键调控，{Ta?}能够改变MOF的层间结构，增加层间距，从而释放更多自由OH?，使其能够穿透赫尔姆霍尔茨平面并吸附在催化剂活性位点上。此外，{Ta?}还能调节MOF中Ni活性位点的电子构型，增强其催化性能。实验结果表明，合成的R-MOF-Ta?/NF催化剂在10 mA cm?2的电流密度下仅需235 mV的过电位，且在工业级电流密度（≥200 mA cm?2）下可稳定运行195小时。这一成果表明，{Ta?}在提升MOF催化剂性能方面具有显著优势。

研究进一步揭示了{Ta?}在催化剂结构调控中的作用机制。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等手段，研究者观察到{Ta?}的引入显著改变了MOF的层状结构，形成了更宽的层间距，从而暴露了更多的催化活性位点。同时，{Ta?}在催化剂界面处破坏原有的氢键网络，促进了OH?的自由扩散和吸附。X射线粉末衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等表征手段证实了{Ta?}对MOF结构和Ni氧化态的影响，表明其能够有效调整催化剂的电子分布，从而优化反应路径。

为了进一步验证{Ta?}的催化性能，研究者还测试了其他类型的聚多金属氧酸盐（POMs），如六钼酸盐（{Mo?}）、六钨酸盐（{W?}）和六铌酸盐（{Nb?}）。结果显示，只有{Ta?}能够显著提升催化剂的性能，而其他POMs在碱性海水中难以保持原有结构，导致催化效果不佳。这表明，{Ta?}在调节电子配置和氢键网络方面具有独特优势。

在催化机制方面，研究通过红外光谱（IR）和原位表面增强红外吸收光谱（SEIRAS）等技术，分析了OER过程中氢键网络的变化。实验发现，{Ta?}的引入显著增加了自由OH?的浓度，同时降低了4配位氢键（4HB·H?O/OH?）的比例，提高了2配位氢键（2HB·H?O/OH?）的含量。这种变化表明，{Ta?}能够促进OH?在催化剂表面的吸附，从而加快OER反应的进行。此外，研究还通过时间飞行二次离子质谱（ToF-SIMS）进一步证实了{Ta?}在催化剂结构中的作用，揭示了其在促进活性物种生成和稳定催化性能方面的潜力。

在实际应用方面，研究者将R-MOF-Ta?/NF作为阳极催化剂应用于阴离子交换膜（AEM）电解器中，评估其在工业电流密度下的表现。实验结果表明，该电解器在室温下能够在2.18 V的电压下实现500 mA cm?2的氧气产率，而在相同条件下，使用R-MOF/NF作为阳极的电解器则需要更高的电压（2.38 V）。此外，R-MOF-Ta?/NF在200 mA cm?2的电流密度下可稳定运行195小时，远高于使用Ni泡沫（NF）作为阳极的电解器（仅运行120小时）。这些结果充分证明了R-MOF-Ta?/NF在实际应用中的优越性。

综上所述，本研究通过引入{Ta?}，成功构建了一种具有高效OER催化性能的层状MOF催化剂。{Ta?}不仅能够调控氢键网络，提高OH?的可及性，还能通过调节Ni活性位点的电子构型，增强催化剂的稳定性。这一策略为碱性海水电解技术的发展提供了新的思路，有助于推动其在实际应用中的商业化进程。研究结果表明，{Ta?}在提升催化剂性能方面具有独特优势，其引入能够有效解决海水电解中的关键问题，为未来可持续能源转换技术的发展奠定了基础。