導讀

近日，紡織新材料與先進加工全國重點實驗室楊應奎教授團隊在Nature Communications期刊發(fā)表題為“Dynamic Ligand-Vacancy Engineering Drives Metal Dimerization for Efficient Urea Electrooxidation”的高水平研究論文（鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-026-70919-w）。武明杰教授為第一作者，楊應奎教授為通訊作者，武漢紡織大學為唯一署名單位。

尿素氧化反應因其熱力學電位低、可與廢水處理耦合，被視為替代傳統(tǒng)析氧反應實現(xiàn)節(jié)能制氫的理想途徑。然而，現(xiàn)有金屬有機框架（MOF）催化劑在堿性氧化環(huán)境下易發(fā)生不可逆結(jié)構轉(zhuǎn)變，活性位點快速失活，制約其實際應用。針對這一挑戰(zhàn)，研究團隊基于MOF材料，利用Fe與Co在堿性高電位下熱力學與動力學行為的差異，構建了一種自適應的配位微環(huán)境。該結(jié)構在電化學活化過程中選擇性誘導Co位點產(chǎn)生配體空位，同時Fe位點保留配體結(jié)構，進而增強金屬-金屬相互作用，形成穩(wěn)定的二聚體構型（圖1）。

圖1. 金屬有機框架（MOF）催化劑設計策略

研究表明，該動態(tài)重構后的催化劑（DR-FeCoBMF）在尿素氧化反應中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能（圖2）：達到10 mA cm-2電流密度僅需1.222 V，比商業(yè)IrO2低188 mV，氮氧化物法拉第效率高達87.7%。在工業(yè)級電流下，該催化劑可在1 A cm-2條件下穩(wěn)定運行100小時，性能無明顯衰減，相比傳統(tǒng)水電解節(jié)能13%。結(jié)合光譜表征與理論計算，研究進一步揭示，配體空位誘導的金屬二聚化將C–N鍵裂解能由1.33 eV降至0.80 eV，并將速控步從非電化學步驟（C–N裂解）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀瘜W步驟（*NO氧化），顯著降低了反應活化能。

圖2. 尿素輔助水電解系統(tǒng)設計與電催化性能

該研究針對堿性電氧化環(huán)境中MOF催化劑易發(fā)生表面重構導致失活的關鍵難題，從MOF重構的角度出發(fā)，提出了“異核空位-成鍵”動態(tài)自適應策略，通過在原子尺度上調(diào)控配體空位與金屬二聚化，實現(xiàn)了催化活性與結(jié)構穩(wěn)定性的協(xié)同提升，為高效、耐用的非貴金屬電催化劑設計提供了新思路。

第一作者武明杰教授：2023年5月入職全國重點實驗室，主持國家自然科學基金、加拿大FRQNT博士后基金和加拿大FRQNT卓越博士PBEEE項目，入選湖北省高層次人才計劃、武漢英才計劃、江夏區(qū)高層次人才計劃、湖北省科技副總等。入職以來，以第一/通訊作者在Nature Communications、Energy & Environmental Science、Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano、Advanced Functional Materials等TOP期刊上發(fā)表高水平論文20余篇，包括ESI高被引論文3篇、熱點論文1篇；申請國家發(fā)明專利8項。

來源：武漢紡織大學紡織新材料與先進加工全國重點實驗室