钌掺杂钴金属有机框架的动态相变工程实现碱性OER/酸性HER活性位点自适应重构

针对双功能电催化剂在跨pH环境中活性位点不兼容的难题，研究人员通过动态相变工程策略设计Ru掺杂CoMOF材料，实现碱性OER（η10=328 mV）与酸性HER（η10=229 mV）活性位点的电化学激活驱动重构，突破传统催化剂性能折衷限制，为pH自适应电解水技术提供新范式。

　　

随着全球对碳中和能源需求的激增，氢能作为质量能量密度最高的清洁载体备受关注。然而，电解水制氢技术的规模化应用始终受限于两个关键科学瓶颈：阳极氧析出反应(OER)的缓慢动力学，以及阴极氢析出反应(HER)在不同pH环境下对活性位点的差异化需求。传统贵金属催化剂（如IrO₂和Pt）虽性能优异，但其稀缺性和高昂成本严重制约实际应用。更棘手的是，OER倾向的金属氢氧化物/氧化物与HER优化的金属表面存在本征不兼容性，导致双功能催化剂常陷入"顾此失彼"的性能困境。

针对这一挑战，来自中国的科研团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表创新研究，提出基于金属有机框架(MOF)的动态相变工程策略。研究人员通过超声辅助溶剂热法构建非晶态Ru掺杂CoMOF前驱体，利用电化学激活诱导可控的非晶-晶相转变，成功实现碱性OER（过电位328 mV@10 mA cm^?2）与酸性HER（过电位229 mV@10 mA cm^?2）活性位点的自适应重构。该工作突破传统静态催化剂的局限性，为发展pH自适应电解水技术提供全新思路。

研究团队主要采用X射线衍射(XRD)分析相变过程，结合X射线光电子能谱(XPS)和同步辐射等技术解析电子结构演变，通过电化学阻抗谱(EIS)和塔菲尔斜率测试评估反应动力学，并利用透射电子显微镜(TEM)追踪形貌演化。

结果与讨论

1. 结构演变特征：XRD证实初始Ru-CoMOF呈非晶态结构，经电化学激活后转化为晶态(RuCo_x)O_x混合氧化物。高分辨TEM显示非晶相中存在大量配位不饱和位点，而晶相中Ru-Co金属键显著增强。
2. 碱性OER性能：非晶相在1 M KOH中展现卓越OER活性，归因于缺陷富集结构和高价态Co物种（XPS证实Co³⁺/Co⁴⁺占比达78%），其电荷转移电阻比晶相低3.2倍。
3. 酸性HER机制：晶相中Ru的d带中心下移（通过DFT计算证实）优化H*吸附自由能，金属性传导路径使电子迁移率提升5.8倍，实现高效质子还原。
4. 稳定性验证：分级多孔结构使催化剂在50小时测试中性能衰减<5%，XRD后处理表明相变过程不可逆但结构完整性保持良好。

结论与展望
该研究开创性地通过MOF相变工程实现活性位点动态重构：非晶相通过高活性CoOOH物种促进OER四电子转移，晶相则利用Ru-Co金属界面加速HER双电子过程。这种"一石二鸟"的设计策略成功规避传统催化剂在酸/碱环境中的活性折衷，其MOF衍生的分级结构同时解决稳定性与传质难题。值得注意的是，电化学激活诱导的相变过程具有普适性，为开发其他pH自适应催化体系（如CO₂还原或氮还原反应）提供重要参考。未来研究可进一步探索相变阈值调控与工业化放大制备，推动电解水技术向"智能响应"方向发展。