华中科技大学化学与化工学院王得丽团队在非贵金属电催化剂领域取得系列进展

近日，化学与化工学院王得丽教授团队在国际期刊《德国应用化学》（Angewandte ChemieInternational Edition）刊发了非贵金属电催化剂的系列研究成果，分别题为“氢桥介导的Ni(OH)2-PO43−/Ni3(PO4)2异质结上5-羟甲基糠醛的高效电氧化”（Hydrogen Bridge-Mediated Efficient Electrooxidationof 5-Hydroxymethylfurfuralon Ni(OH)2-PO43−/Ni3(PO4)2Heterojunctions）、“腐蚀驱动的NiFe-LDH中Ni3S4梯度结构以实现持久耐用的工业规模水电解”（Corrosion-Driven Ni3S4Gradient inNiFe-LDH Enables Durable Industrial Scale Water Electrolysis）。

相比于价格昂贵、资源有限的贵金属催化剂，基于Ni、Fe、Co等元素构建的非贵金属电催化剂凭借其丰富的资源储量和优异的电催化潜力。然而，非贵金属催化材料在实际应用中仍面临催化活性不稳定、界面调控能力有限、反应机制复杂等一系列挑战。因此，开发精准有效的催化剂构筑策略，以期在保持高性能的同时，实现材料在工业级条件下的长期稳定运行至关重要。

图为Ni(OH)2-PO43−/Ni3(PO4)2催化剂的界面氢桥工程用于HMF电催化氧化。

针对上述问题，团队分别针对可再生生物质分子5-羟甲基糠醛（HMF）的高效电氧化转化，以及水分解反应中析氧反应的工业级稳定性问题，提出基于氢桥介导HMF电氧化机制及梯度异质结构构建机制，在非贵金属催化体系中展现出优异的催化活性与长期稳定性。课题组采用磷酸盐辅助的腐蚀-活化策略，构筑Ni(OH)2-PO43−/Ni3(PO4)2异质结催化剂，针对HMF向2,5-呋喃二甲酸（FDCA）的电催化氧化过程，提出氢桥介导的高效质子脱嵌与转移机制。研究发现，引入PO43−基团后，催化剂界面形成稳定的氢桥结构，可显著降低反应路径的能垒，促进HMF分子在α-C位置的活化过程。该催化剂最终实现了高达94.16%的FDCA产率和94.31%的法拉第效率，且该机制在多种非贵金属基底（如Co、Cu、Fe泡沫）中展现出良好通用性。

图为Ni3S4/NiFe-LDH/IF催化剂用于电解水。

此外，团队进一步将非贵金属腐蚀工程策略拓展至工业级电解水体系中，通过S2−诱导的硫化腐蚀过程，在NiFe-LDH催化剂表面原位形成梯度分布的Ni3S4活性层，构建出具有高电荷转移效率和稳定性的梯度异质结构。该结构在增强界面电子耦合与提升离子扩散能力的同时，有效克服了传统NiFe-LDH在高电流密度下析氧活性衰减的难题。在纯水阴离子交换膜电解槽中，该催化剂可在1A/cm2工业级电流密度条件的纯水中稳定运行1000小时，保持了较好的催化性能和结构完整性，为非贵金属催化材料向真实电解水工业化应用迈进提供了重要支撑。

华科大为该系列研究工作的通讯单位。化学与化工学院硕士生刘毅及博士后刘旭坡（现为河南师范大学副教授）分别为这两项工作的第一作者。王得丽为通讯作者。研究获得国家自然科学基金、新能源化学与器件引智基地项目、中央高校基本科研业务费专项基金支持。

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https://doi.org/10.1002/anie.202509274

https://doi.org/10.1002/anie.202516894